Устойчивость одномодовых колебаний в мощных гиротронах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

АКАДЕМИЯ НАУК СССР ИНСТИТУТ ПРИКЛАДНОЙ ФИЗИКИ

Дпя служебного .■пользования Ззз. № /

На правах рукописи

ПАВЕЛЬЕВ Александр Борисович

УСТОЙЧИВОСТЬ ОДНОМОДОВЫХ КОЛЕБАНИЙ В МОЩНЫХ ГИРОТРОНАХ

01.04,04-« фпзнпеская электронпзса

Уч. К? 4691 дсп

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Нихсяий Новгород «» 1991

Работа выполнена с Институте прикладной физики АН СССР, г.Н,Новгород

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

кандидат фнзлкс-математичес ких наук Гопьденберг А,Л.

доктор физнко-математичес^ кпх наук, профессор трубсикоз Д,И.

::андвдат фнзлко-математачес хих паук Братмал В,Л.

НПО ''Исток* {г, Фрязнно)

Защита состоится часов на заседании сиециапнзироьанного совета К 003,38.0] в Институте прикладной физики АН СССР, 603600, г. Н.Но. в город, ГСП-12 О, у«. Ульянова, 46.

С диссертацией мо;:шо ознакомиться хз библиотеке Иыс титута прикладной физики АН СССР,

Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного совета

г

'1991 г.

_ Беляннев А.М.

ОБЩАЯ ХАРШсИГЯША РАБОТЫ Актуальность теьм. Гкротрс:1Ы является сашш мзцншл ганэ-¡тсрами миллюетрового дпагсзс:1з, споссбшлш! работать в рэтаз.'э ?прерывкой генерации или длинных ;т>лульсол. Ссэдсетз прпборсв со тль еькххсздз зисргсгпггоаапс! пзрг!.:этрп.'.с1 оперло :юе«э:гкость ¡рс-кого пра.ктпг:сгсго ггргалэнеяш кшлимэтропых если в рг^зшготш: 1пзатях гаухи и тз:пппа4. УросгаЕь шгшоста, достягЕЗягЯ з гарантах, позволил, в частности, успешно всполюопать ш: в качзс-!3 юточпкхов СБЧ зкзрпп! для эле!строш:о-ц.:пслотро:п:сго ::агрэез tr.ns.2j в установках управляемого тер;.гаядср::ого спяггвза. г'\',зшо п ваянейзая область гряленсния гмротролов предъявляет наиболее асохиэ требования к их выходам хараятерксппсаи. Нгсбходгазя для ;врекэнкьк установок (та:сих, нпприьаф, ¡сак Т - 15, кэ^-дунпрод? гй

:кэлак хтеп) ¡зачесть излучения р ~ С10-100) Шг на дгашо волзгы

«

< 3 при длительности импульса генерации т > 1 с значительно юпчтет еозшзнссти элсктрс:пшх приборов, что требует разребот-[ знергатичесгак Гсчэтлехсов, ютгочасщга д&сятзш птротронсз. Ес-ютезшю, повышенно гсэдюсти отдельного гаротронпрго шдуля еэ-гг к упрегдашш и удкиэвлению такого комплекса. Поэтому увелгкэ-¡8 емходноя мощности, частота колебаний и дл'ггелыюста генерации '.плоть до непрерывного рсяииаЗ до сих пор сстаэтся о-новльаш цэ-П.-.1 пейлэдоказшй и разработке торотрснод.

Принцкпиалыгш ограничением, прэшпегзуицш предвиззнет в направлении, является перегрев резонатора сслэдстзио БЧ мчзехих потерь. КзгЛэлсэ радикальнее ро:1:с:п:а проблем ешкжпия ;?ль!сых тепловых нагрузо:с на поверхности рлоснатора дсстагеэтся ^зличадаем его поперечных ргзжров и переходом на более гпсо:шэ спя рзбочше колебания. При этом, однако, спектр собственных чэс-7Г ршонаторэ сгуцэется и судественнуп роль ьетуг играть явления (агавдэйствия с зягкхразшш пучков кесколыазг «зд, что влкяет на

шходауэ мощность н КПД гиротрона. В такой ситуации обеспечат селектиЕшго возбуждения рабочая исды и ее устойчивей еькхжоэ^ фзктнЕЖха генерации в сверкразы£р}!ых реео.чаторах представляете одной га накбопза Еазных вадач.

Амалогачная задача юзнккаэт и при использовании новой эле; трэдикЕг згчзсгай. систем гиротрока - резонатора в форьзе шнтово! го$ра, в котором снивенкэ тепловых нагрузок иэаэт достигаться & увалх5чашш дасшатра, а вывод излучения обеспечивается кепссре; ственко ка одаей из кизсях волновода.« ».эд. Такой раоонатор очз* удобен в ряда применения, но обладает наезеолько худшими, чг обычный, сапегстиш-иад свойствами.

Основной цалыэ диссертационной работ» являлось иссладоваш перспектив дальнейшего увеличения выходной мощности длинноимпуш сных и непрерывных тареггрогав с учетом ограничений, связанных одной стороны с пера греши резонаторов вследствие ВЧ омичзск, потерь, с другая - с опаезхклыз сашвообукдення паразитных коле банкй при использовании разоиатораа увеличенного диаметра с высс коЯ платностью спэ;стра азбсгЕекгих частот. С этой целью в настс я^ей работе были прозадеш:

- тасрзтичзский анаша устоЛч;шости одномэдовых колебат рабочзй шды гирспрона в ргэдыая с Еьгзоюм КПД;

- экспзрлшзггальнда. иссладозадао возможности селектавно1 возбуждения и реализации вьххшзгйе-.ггааньи режимов работы гире трети па высоких типах пространстшшаи несимметричных ьсод нв Со » 1, р - в), а такгаэ приь5э»кззЕШ а таких приборах кокеггоре перспективных разновидностей элеетродачаиических систем с 1»овь шшш! садективнши свойствам;;

- нзучгннэ оовмохзххгга пршажжш в качэстве электррдннам» чзской састега» ыездюго непрерывного гиротрока резонаторов с не глубокой (в шеетаба шлиц) вюггсаой гофрировкой поеерхж

I. допусхаютх укзньознга дифракционной добропюсти рабочьто а колебаний и снигвшга уровня омнчесювс потерь. ручная иов'.геня.

1. На основа численного анализа устойчивости колебаний рабо-1 мвдн по апхггешто к сш.хзвозйуэдеьзгп паразитных шд в условя-

га ашлитудкого Сдвужодового) Есаголодействия0 в птротроне с {сированноЯ продольной- структурой БЧ поля установлены количес-шнькг г<ритерин устойчивости стационарной генерации рабочей шды резитах с высоким КПД, позволягдио оценивать нзобходш^уо ста-■гъ дополнительного подавления паразитных » год при различной густа спе:стра собственных колебагай резонатора. В рамках указанной челн тесрогоп:эсхи прсяиапкзправа!ю влияние неоднородности ста-•Г2СКОГО маппггного поля на устсГпптость однемодовых колебанш! ЗочзЗ шды.

2. Проведено чнслэшгоэ исследований условий егьювоабуздения эазитаых мод в режима стационарной генерация рабочей гады в /»годовой модели гиротронз с предельно шзлодобротноЛ элеьяро-тотчесхой системой (с нефиксированной продольное структурой БЧ пя). Показано, что в отли^иэ от вь'сокодобротных резонатсроз (с сс:фовагоюЯ структурой поля) при значительном превышении элек-энного тока гад стартовав! значениями (I * I ) з таких спста-

О р ь

к вазмззио стххюебуздедао паразита^ колебаний, критические гготы которых очаа близки или совпздата с критической частотой Зочей моди.

ГаксЯ "ПП1 взаяшдеАсгвяя шд является летбояса характерным для

9

ваиваа.мх в иастояауэз время гипотрегт с дцаматраш резонаторов (20-25) х, з которых блкзшо.ет по стартовым тока).1 сказывается гсебакия, обладатели пространственноя ортогональность*) н неэкви-гггантнш спектром.»

3. Провздея теоретический анализ вшувдеиных колебашП, во шшалзк в гарс-тронэ на гармониках частота рабочая шды.

4. В йхщуяьснач ре&ъха зкатар1в.:гнтально наследованы »гост гкротрона с деюишраш резонаторов о " <15-Е5) 1, работайте Е1К50К31Х 'ГИЛаХ ПрССЯраНСТЕ8>ШЪК КгСП№£=ТриЧНЫХ мод. На этих 1.юд экспориьжнтапьнр проверены сэле1сг»ш!!ш свойства коаксн чльных р зонаторэв с селектируздш внутрагаг.ол проводникш, а таю;:;? всвмо ность селякции под по поперечным индексам п связанных резонатор с трансформацией мод (СРТШ. В вксперимэнтах с коаксиальными р зоиаторами гпервиэ использован ссяектируетлй конуюздй вкутр-гнн проводок с кгйподзиснсЯ повар>;ностьа С в в;;де часта» азимутаяыг гре<3э;ищ). Показана перспективность пргалзнзгаш назва алз тродпнзшческих систсу с пространственными нес!с\2.:этр:1ч:-2л.;л шда в моаиавг длиянквдтйпьсных и пе-преривных пгротрьнах.

5. Теорэтлчзскм п окспаришшгаяыю исслэдованы резонатора винтов;.г) гофром на стенке в качэсшэ эла}стродаша}.з£чэс!сай с;:сте; гиротрона.

Пракптчзсхая ценность. В результате проЕеденннх теоргтичэ юк и экспериментальных исследований были созданы вькхнсооффекта ныэ генератора гюротгсоволковой част?; миллиметрового диапазона ] пространственных песиммэтрлчных модах, которые по параметр этктрсданашчоских систем являются ыолелями непрерывных пфотр ко» с кэшватгяш уровнем мощности. Исследования коаксиальи систем стимулировали начало разработки пропиленных коаксиальи гаротрошв. •

Прадаогзн>!ыа н исслэдованныэ в диссертационной работе рсз< натори с винтовой тонировкой поверхности позволяет1 уигнышпъ п <5ар;ггы пвшратора и упростить конструкция его выходного узла. Т: кио влеэтродннамнчаскиа системы ютут использоваться в непреры! кых Пфотронах сродней ыоацюстн (десятки киловатт), применяешь

©пример, для технологических целей.

Результаты, проведенных в работа исследоваий испошзоваяпаь фи создании ккгсаи ср а 0.3 ?Эг) джшйотшпульсшх ст 1 сЗ про-ашгённых гаратронов, предназначенных для латрэрл плазш в уста-ювках упрашшк!,здго термоядерного синтеза "То:ет:с".

Публикации и агпзобация результатов. Основные результата щесерггацш опубликованы в работах [1 - 10], докладывались ка ЗсессгоноЯ конференции по фгзике плазкы и еэ применениям СЗвекг-т>род, 1ЕШ), 11-ой и 12-ой К5эздународаьи 2сс;;горэ:га!та по КС и !?! юлнам (Италия, Пиза, 1ШЗ; СМ.. Орландо, 1ш7), 6-ом Мэздуна-хдагом симпозиума по тарелрегхгм и ЛСЭ {кнр, Чэнду, 1937), 2-см~ хмаошрэ СССР - -ФРГ по кагрезу плазш в тер^:эядгрнж рагктсрах лХХР, Горький, 1900).

Структура и обьем диссертации.. Диссертация состоит га внадо-еия, трех глав н заключения. Объем дкссэргацга составляет 184 ¡границы, шшочая 119 страниц основного текста, 62 рпсужса, одну таблицу и список литература из 7Б наименований.

содеииние р аботы Во введении обоснована актуальность теш и сфорц/лирсвага \ель рабагш. Кратко излозэко содержание диссертации га главам и тр:гвэдены основные полозения, вьмосише на задиту.

Глава 1 посвящена теоре-пгаежкому анализу устойчивости ста-цюнарной одаомодовоЯ генерации. сс большим КЦЦ) рабочей ш-хггрона в условиях васокоЯ плотности спектра собственных клебашй ээоснатора.

В п. 1.1 приведены «сходные уравнения, ошгсывагхциз явления гзаинодейсгаия п конкуренции шд в многомодовых гиротронах, а гакга представлены упрс^енкьэ варианты этих уравнений, пепояьзу-для анализа стартовых рэжшов паразитных мод в приборах с

вноаетдофотшш электродинамическими систеиаыи Св предположи] фоссировалиой структуры ВЧ толя) и с предельно низкодобротны) разокатора)аи < с кефжсированной продольной структурой ВЧ поля).

В п. 1.2 1кзслэдована устойчивость стационарных колебаний рг бочзЗ иэды по отношению к садазовбуддешго паразитных шд в услс ваш: 1Ш ^ашпудното взашэдэйстыа. Продольные распределения I поязЯ шгщурирухадх. мод аппроксимировались гауссовой $ункцк£ £Сс) = ехр (-(2zSL - /з~?г). гдэ L - аффективная протяженное! БЧ поля на уровне е"\

Рассматривалась окрестность состояния равновесия рабочей iz ffj с амплитудой F0 при нулевых амплитудах прочих .лад ¥tSi0~ О' Оич^яа с псакацл) наязгнзйных уравнений, списывапцкх стационара} гензрацнэ рабочей моды (сада входят уравнение движения электроне в пола рабочей йоды с гауссовой продольной структурой и уравнен® баланса активных кедностей в пространства взаимодействия) опре^ лились ашшпуда es автоколебаний к и значение электронного idj пульса, ках функция продольной координата и относительной фаз влета электронов в резонатор. Затем при подстановке получении величин в линеар!Еювашша уравнения, аюгочаадие в себя уравнени баланса активных ыовдостей для паразитных колебаний и уравнени для иаяых поправок к элеотронкому импульсу, обусловленных влияни ш поля паразитной моды с амплитудой i^pl « IF-I, .исследовалис старгоаьгэ условия паразитной коды.

Численный анализ, проведенный в шфоком диапазоне рабочи

параметров гиреггрона, позволил определить границу области устой *

чявссти стацшнарных колебания рабочей шды и достшммый в уело виях ловьашнной плсгпюсти спектра собственных частот КПД генера ции в различных регзшах работы прибора, а также количествен» оценить степень дополнительного подавления паразитных колебаний шзобхедимун для реализации решаюв с шкеишльньм С для' данной

табора рабочих пара>.!-зтроз) КЦЦ при различном разносо резонансных тастот рабочей и паразитной шд. Полученные результаты, свидетель-ггвуэт о том, что при амплитудном взаимодействии конкуренщш со зтороны близких по стартовым токам паразитных мед в принципа не препятствует доепшенио достаточно высокого КПД генерации, но ограничивает еоз}.кгенссть повшэния выходной мощности за счет увеличения рабочего тока С га-за срыва, колебаний работай йоды на более ¡вгзкочастогпую в области оптимальных по КЦЦ значений статического .гапяггеого поля).

В этом :э разделе в рамках описанной модели проанализировано влияние неоднородности внешнего >,шгнитиого поля в пространства-:эа:а.юдеЯстЕ;!Л прибора С рассм атривалась его линейная зашстюсть продольной координате) на условия конкуренции шд. Показано, ^то использование слабонарасташэго статического магнитного поля з цель® повышения КПД генерации увеличивает опасность срыва юоле-Заний рабочей моды в области больших расстроек циклотронного резонанса , ссответствуюгщх рехаакш с высоким КПД.

В п. 1.3 рассмотрено амплитудное взаимодействие мод в гнро-грспе с предельно низкодобротной электродинамической системой. Этличие этой задачи от предыдущей заключается в тем, что в данном злучае продольная струшура ВЧ колебаний формируется тгод действием олсктронного пучка Сне является фиксированной) и должна определяться в результата ретения салгееоглэсоваяной сжясш уравне-вклэтагэдтх в себя уравнения ссзбухдения взатедействупгда ■еод л уравнение дв:1гення электронов & их суммарном гояз. Пссколь-су злестрошшй пучок" по-разному Е331а.юдействует с кояебашшш, зтличакздмися по амшпггуде и разнесенными (в масштабе полосы циклотронного резонанса) по частоте, это ыожет обусловить различна в тх продольных структурах и оказать влияние на процессы взаишдей-ггвия зтих изд. Доя анализа условий самовозбуждения паразитных

мсягЗакий в прииутствш гчбочай юды в ншкодобрзтных резонатора: приш;ш;сл тот1 ггэ катод, что л в предполог'зшш фшсированно: струстуру полей ю;£курирукцих мэд.

ПрохадЕС-паго ::сслодовазаш показапн, что в отличие от шзжо-доброипс: систем в резонаторах с за га кой дифракционной доброт ноетыэ зона всф-зэвкого самэвозбуг-дешш низкочастотных паразитам шд лз^гг в сановном в области расстроек циклотронного рззоианса пре&гцаяцих ошг&альодэ по ЩД значения. Поэтому присутствие эта в полоса цгаслотронного саковшбугденш! рабочей йоды в принци пэ га препятствует со га краали с КПД, близким к шксашальисм; длл дазс;опз набора рабочие параметров. Другое оглпч^е сак/соча-эте п том, что в торотрозах с нефяхсированноП структурой поля при су-e;scra-s;u;cu правлении олаарошюго то;са над стартовый п облает; близких к сгтЕ.иль:1ы:4 по КГО1 расстроек оказывается шзг.шешл.! са иовозбуздение паразитных код, частота которцх оча«ь близки imi совпадал- с рабочей, в то враля :сак в вксо;аэдсбротних систем такие колебания подавлящ-ся рабочей j-юдой, ¡солебладейся с болыьо! амплитудой.

Г1. 1.4 1;ссш1.,эи пссладоаашиэ тгнуздешшх ¡солебашШ, вооника-гада » гирспронэ на гер-юлизсах частот рабочей кода и обусловлен-кы>с налинзйн^! свойствами элггетрогоюпэ пучка в рехав.:е большой cim шла. Vbrrc-pce к этому вопросу связан с перспективой использо-ваиш гиротрогюз для активной диапюспнси плазш.

При ргхзнии задачи о возбуздешш вынудде^шых зюлебаний электрон; пуч:юм, сгруппнроаанзпл в поле рабочей моды, предполагалось, что рабочая «эда sasaaT гауссову продольнуп структуру, а пс стюгэткэ к паразитной кодо (иизадай нефиксированную продальну! струзпуру поля} электродинамическую систему гареггрона mozho рассматривать как регулярный полубесконечный волновод.

Проведенный анаша позволяет оценивать уровень вынужденно*

гнерации в медных птротронах.- Согласно расчета!, могдность пара-гоюго излучения на втсрой гармоншш может составлять несколько хэцентоз от мет-:сстп рабочей «оды. В этих жэ условиях модность »лучения иа третьей гармонике по крэйнзЛ м-зро на порядок шкэ. :шениа самосогласованной падачи, учитывающей влияние зяэктрси:о-з пучка на продольное распределение поля рп do-пи тсолсбагтЛ, сви-зтельствует о тс;л, что -при грубых оценках уровня ш;:,псста пэра-л?юй гонЕрацп! на гармошках рабочей частота метут быть нсполь-звзны результата, получешгке з приближении сХсжеированноЗ струк-/ри поля рабочей кода

Во второй главе представлены результата оигаэримепхалы&сг~ зеладований !.щих гиротроноз на вксокпх типах прострз?:ст2енккх ¿симмзтричных мод. Еыбор этих :.:од в качестве рабочих обусловлен ¡г относительно низкими смичсс:агми поторяш н всзшжссгъп приме-эния силы ютовых олсгсгропных пупков достаточно большею дигме-ра. В качестве электродинамических систем гиротроноз исследова-ись коаксиальные ррзонатори и связанные резонаторы с трансформа-ией ».гад (СРШ). Использование коаксиальных резонаторез при рабо-э на прсстрэиствэнно-развитах модах позволяет уменьшить провиса-ие потециапа електронного пучка в пространстве взаимодействия, а а ¡сэ провести дополнительную о л ектродш: амич зс ку э сегэкщга мод с азличными радиальными и азимутальными индексами. Селсшул >.юд в РТ?I достигается благодаря различи» в длшах гаазгшдейстдия элек-решгаго потока с БЧ полями рабочей нормальней млды и несвязанных арзздтпшх колебаний. В таких систггдах доэю ссудествить 'подавлена паразитных гад, егличасдкхся от рабочей только азшутаяьикм»

с

ндепсегкн, vro особенно важно при диаметрах резонаторов свыше 3 х, тогда наряду с амплитудным Спарзшм) взаш-юдействием мод су-.естоеяну» роль ко-jsrt играть ашлшудно-^азовоэ Сшогсшдовое) заимодействиэ однотипных колебаний, сбладавди зквидпетактнш

сп2кзрс:л.

П. 2.1 посвягдан исследования коаксиальных резонаторов с от носительны. даа«2тром ¡У\ « 14 в гиротронз с рабочим напряжение и 7 50 ¡сВ. Цягшндричгский внутренний проводник использовала •голыш для уязиьшения провисания потенциала пучка в пространств взаю/ддейстшя и праотичеоси на воокущал колебания с радиалыш индексам р * 8. Согласно оценке, в полосу циклотронного сашвоз буздения генератора ».»гли одновременно попадать 2-3' хорсто свя оашшэ с пучком ?.эда. Влияние ширины полосы циклотронного рэзо нанса на устойчивость колебашхй изучалось путем приманешш ргзо натороз различно.! длина. Поведетакз птрэтрона исследовалось и га расой диапазоне перестройки статического напштоого шля.

В пкх:пер;;:.'.эата Созбуздались в основном две группы ».¡од н т ] Нв То) свидетельствовало о достаточно высокой зф^ективносп электронной ссшекцни. Харз>стер зависимости выходной мощности ./ величины ¡.гапштного поля и КЭД генерации от рабочего ттаса позволял судить о наличии когссуреншш год. Проведенные исслэдоваши продемонстрировали хорошее качественное соответствие результате! окспэрш^знта и теории дпумлэдовэго взаимодействия.

В п. 2.2 описаны эксперименты по селекции высоких типов про-стра!:ел .е;» на неснммслричных иэд в коаксиальных резонаторах с се-лектирухвдш внутреннш проводником. В гиротронэ с рабочим напря-а&агем и * 50 кВ исследовался резонатор с относительным диакэтро). пух о 14 и внутренним проводником коничзского прсфихя. Селектору-вдие свойства таких систем основаны на том, что отличазодизся поперечной стру.стуроЛ коды имзот различна зависимости критических частот от величины огаоиения радиусов резонатора и внугреннегс проводника. Подбирая созтвзтствупцда образом профиль и средний радиус последнего, шано по-разному воздействовать на условия излучения этих шд, добиваясь необходимого соотнсаения днфракци-

онных добротностей (следовательно, стартових токов) рнбоч-эго я паразитных типов колебаний. Прогвденкш гасспершенти продемонстрировали высокуп оффекгивность такого метода депагаштплы-гей селекции в применении к пространственным кееголметричпш модам. йго основным недостатком являхггея похэдяшио теяяогкэ яггрузкя на внутрэннем проводимте Св случае использования внутреннего проводника в виде конуса, сузаедэгося к выходному :<с.чцу росонаторз) или трудности, связанные с организацией излучения определенней группа паразитных шд в сторону катода Св случаз обратного конуса).

В гяротроне с рабочим' напряжением и « 90 кВ был кешган резонатор Сх»/х » 22) с внутренним проводником з форма сузаг^огося к-выходному концу конуса с импедансной поверхность» С в сид-з частой

лплутальной гребенхи). В этих системах характер завнсшлссш критических частот различных колебаний от отиаг&'зп радиусов резонатора и внутреннего проводника меняется таким образом, что с.-тлтю-?лггсл всомогним использовать для селекции мод гнутренлнй проводник относительно небольшого диаметра, ссотсетствухадаго низкому уровни омических потерь. В исследуемом гирспроне удалось реализовать устойчивую генерации иг рабочей моде и с длиной волны х а 3 мм при различных значениях электронного тока, в тем чкслэ Оптимальных по КПД.. Получена выходная юэдость р « 4,1 Шг при КГЩ п а 33 % и плотности мощности олггчсских потерь на ПОЕСрЖОСТИ резонансной системы менее 1 кОт/см2. !.'акс;».Ш1Ьнкй КГЩ составил п =* 35 •/„

пах

В п. 2.3 приведены результаты експеримеггталыюй проварки селективных свойств и эффективности работы СРТМ на внеохих типах пространственных несимметричных мод. Эксперименты проводгшпсь з гаротроне с рабочим напряжением и ^ Е0 хсВ. Диаметр основного С выходного) резонатора СРТМ составлял примерно 14х. С цельэ сравнения с результатами исследования коаксиальных систем в одном из

экспериментов в качзстве рабочей била шЗрава нормальная года СР'Ш { н17 А- И„ 7)10 С знак кшус означает азимутальное • враце-нко иода в попутке:.: с влгктрскамн направлении). Согласно расчету, а полоса Цгислотрон::ога резонанса псслсздуегого гекерзторз сблизя рабочей ».одц кмзлссь ещз одно связанное колебание | а.

с) u> Ce пренчшеполоззitDi направление;.* вращения}. Проведемте 3itcnQp:2.sirri! показали наличие сильной конзеуренцин узсазашигх иод, в результате зеоторой срыв колебаний рабочей кода происходил задолго до со выхода в реши с пьхккта.* КПД. КД5 генерации ira пара-озггной !-'.одо б:,'л тазсг.е невелик, что связано, по-видитому, с нзбла-гопр;«тьм продолынэд распределением поля этой шды, сбусяовлга-1й.гл кеоггловльны:.! для нее ссотдасгнизм параметров ÇPTM.

В другой серии ' окспэрнмгтхзв испышвался СРТМ с нормальной рабочей ьюдой ( н^ н)6 71(4)- Такой вь£ор Тгазволял, оставаясь из том 2X2 участка Спектра, более oifeicnip.no использовать возможности ола:сгрс5той селзкцин мод. В результате была получена устойчивая гекерацз'л шбранной ¡.:оди вплоть до токов, презь:щг;схих опти-иальксе по КГЩ значение. ?£жсимальный 1ЩД составил ц а 33 %.

пак

Do всех зкепнримегггах била достигнута сильная дискриминация !.:ад с сосодшии по сткэшш к рабочей аз!шутальн15Л1 и одинаковыми родаалькши индексами. Влесте с' тем иолучзинкз результаты свидетольсгвуют о недостаточности селективных свойств СРШ в. условиях густого спеэтра собственных частот для селекции колебаний с близки:.;:: частотами и различньаш радиальными и азк?лутальными индексами. В такой ситуации ю^зт оказаться целесообразным npiaœîfâ-НМ8 коаксиальном CPTî-t с селектируют»! внутренним проводником.

Глава 3 посляцена теоретическим и экспериментальным исследованиям резогизторов с винтовым гофром на стенке в качестве элэк-трэдинащгчэс:сой «¡спилы гиротро.та. В таких резонаторах посредством шштоюЗ гофрировки ссутцествляегся связь шзду запертой в

резонаторе рабочей модой и одной из низких еолнободкых еолн, которая свободно излучается из выходного конца резонатора с групповой скоростью, близкой к скорости света. Тзетп.1 образом, связь рабочей моды с выходным волноводом обеспечивается по- Бсей длине резонансной системы,. а еэ дифракционная добротность определяется перзгалучзнием рабочее колебаний в ieryajya волну п шгзт изменяться в широких пределах подбором параметров гофра. Понизал дифракционную добротность, шзйя> увеличивать рабочий ток, а следовательно н мздность лампы, при сохранезат олтадального по КПД рэгл-ма работа (re a const) и тепловой нагрузки в резонаторе const). Это позволяет надеяться на получение колебаний относи— талы го высокой мсэдгасти з резонаторах небольшого диаметра, для -.спорых прс<5ле.\э когпсурэнции нэ является столь острой. К другим достоинствам этих резонаторов следует отнести воашаность вывода экерпш в удобном для дальнейшего притеснения виде Снапршлер, в виде еолны н э.

Основной недостаток гсфрировашЪк резонаторов ссстоит в том, что они, по-видимому, шло пригодны для раба!« на высоких модах Спри получения сверхбольших мощностей), так как в этом случае для обеспечения одномодокш структуры выходного излучения требуется чрезмерно большая протяхеннехггь гофрированного участка. Следует, также, отазтить, что избирательное понижение добротности монет снизать конкурентоспособность рабочей моды С например ,• по. откоа!э-шго к Еысокодобротному колебанию, обладающему та1сой re поперечной структурой и ¡кэтгдему дае продольных вариации ВЧ поля). Тем не менее, гтйрзфованныэ резонаторы^ представляются весьма привлекаг тельными для некоторых применений (например, в качестве электро- • динамически систем технологических гиротронов).

В п. 3.1 приведены основные уравнения, описывагацие связанные колебания резонансной моды (с одной продольной вариацией по-

ля) и бэгув£й волны в рзпокзторэ с неглубоким Св масхэтабэ длин волки) вшптэаим гофром н аакритачоскими для рабочей мода сужени яш на концах. Рассмотрены условия применимости указанной уравнений ц определена зависимость дифракционной добротности такого ре *

еонаторз от параметров гофра.

В п. 3.2 обсувдавтся метода расчета гмротронов с юфрирован юла! резонаторами. В приближении нефиксированной продольна структуры поля рассмотрена стационарная генерация рабочей моды I стартовые режима р^онансных код с различным числам продольны: вариаций ВЧ поля. Погсазано, что расчет параметров генератора 1 рехзшах, близюс: к оптимальному по КЦД, может придводиться ш основе уравнений гнротро;а с фиксированной (синусоидальной) продольной структурой поля.

В п. п. 3.3 и 3.4 приведены результата ^лектродинамически измарзний дифракцисйкой добротности резонаторов с винтовым гоф^л». и экспериментальной проверен воз;.зо:шости применения таких резонаторов в качестве-электродинамической системы гиротрона.

В "холодных" измерениях использовались резонатора на связанных колебаниях { нэ - >1) ^, отличающиеся друг от друга длиной, глубиной гофра и его продольным периодом. Получение в ходе га-ьгерений зависимости величины даЗрагсционноЯ добротности от параметров гофра хорошо согласуются с расчетами.

В патрона с рабочим напряжением и « 30 кВ испшгжалпсь гоЗриравадаш резонаторы на связанных модах ( н^- с дли-

ной волны х. и 3,8 мм. Расчетная добротность резонаторов приближалась к кшпагальной дифракционной добротности •Эдиф® ^ф « 4я(ь/х)г и соответствовала оптимальному по КГЩ значению электронного тока 1ор1и 1 А. Полученные в ходе экспериментов результаты оказались близкими к расчетным. Максимальный КГЩ, реализованный пря и а ^ кВ и I « 1 А, достигал п о 36 Максимальная моедаость

р а 25 кВт (при I « 2 А и 1) » 32 Ю ограничивалась воа.кззаюотл>лт электронной пушки. Поперечное распределение плотности мжцюсти в выходном излучении (получезгнсе с помощью тепловизора) определялось в основном волной. И .

В заключении сфзрлулз;рсваны основные результаты диссершт-гапюЛ. работы:

Основные результата.. выносимые на зп'днту:

1. В двухмодовой модели гирэтрона теоретически исследованы условия устойчивой одномодовой генерации рабочей люди в режима высокого 1ЩЦ, в том числе:

а) на основе численного моделирования, проведенного з широком-диапазоне рабочих параметров гиротрона с ^фиксированной гауссовой гтродольной структурой поля, получены количественные критерии сценхи устойчивости колебаний рабочей моды в реигме с высоким КПД по отнагашга к сзмовообуздежпэ паразитных мод;

б) в рамках указанной модели проанализировано влияние неоднородности статического магнитного поля на. устойчивость колебаний рабочей шды в режиме с высоким КПД;

в) исследованы стартовые режимы паразитных мод в присутствии колебаний рабочей моды й гаротроно с зафиксированной продольной структурой ВЧ поля.

2. Проведен численный анализ, позволяющий оценивать уровень ькхщссти вннузденных паразитных колебания гиротрона на гармониках частоты рабочей мода.

3. В импульсном регзшо экспериментально исследована работа гирстрона в условиях конкуренции шд. Показано, что наличие в по,-лссе циклотронного резонанса низкочастотной паразиткой моды Сс близким по отношешт к рабочей моде стартовал током) шжг приводить к преждевременному срыву колебаний рабочей моды и снихегаго КПД ее генерации. Это, в свои очередь, ограничивает воэюзность

повьшэния выходной мощности прибора за счет увеличения электронного тока.

4. Экспериментально исследована возможность использования I качзствэ рабочззх колебаний мощных гиротронов высоких типов пространственных несншатричных шд, ¡соторыэ обладают сравнительнс низкими омическими потерями и представляются наиболее ьроспехтив-ными при создании дликноимпульсных и непрерывных генераторов с мзгаваттнда уровнем выходной модности в коротковолновой част, миллиметрового диапазона. Продемонстрирована высокая эффективность селезсции таких ыод по радиальному индексу в коаксиальньш резонаторах с селектирующим внутренним проводником. В коаксиальном 1-ирсоро:;а с опюсительнш диаметром резонатора ьп. а 22 = 3 мм) и конусным внутренним проводником с импедансной поверхностью получана устойчивая генерация рабочей моДы н20 )Э с выходной мсэдостью свыаа 1 Й>г при платности мощности омических потерь ла боковой поверхности резонатора и внутреннего проводника менее 1 кВг/смг. Максимальный КПД генерации составил п <* 33%.

5. Экспериментально исследованы гирогроны со связанными резонаторами с трансформацией «од ССРТЮ с большим перепадом диаметров парциальных резонаторов. Продемонстрирована возможность аффективной работа такта: систем на высоких типах пространственных несимметричных шд. Проведенный эксперименты свидетельствуют о суаествен>юм разреюении спектра связанных колебаний СТТМ по сравнению со спектром собственных колебаний эквивалентного одиночного резонатора, что. в частности, позволяет осуществлять дополнительную селекцию шд по азимутальному индексу.

6. -Предлокен и исследован резонатор с неглубоким (в масштабе длины волны) винтовым гофром на стенке в качестве электродинамической системы тиратрона. В экспериментальном гиротроне возбуждаемая электронным потоком резонансная мода н^ трансформировалась

посредством четьгрехзаходного праколиигового. гсфра в излучаемую бвгуцую волну nj'j. Получена выходная мо^ость из урсккэ a 25 кВт. Максимальный КПП генэрацзш ссстэенл п а сШ. Результата экспериментов удовлетворительно согласуются с расчета;.»!. Такие систе:.и гагут быть использован» при создашш юяогабарзгпзк приборов непрерывного действия с относительно висохсЛ шходтсЛ ызс*-ззсстьэ.

Список работ по те;.:э диссертации.

1. Гальденбэрг А. Л. , Пэвэльез Д. Б., -Хнззшзс В. II Модэянрогззше не-прерианых ¡.'згавзттнък гаротрснсв в условиях кошсурезацш под в резонаторе // Гиротроны: Сб. науч. тр. - Горький: 1Ш> АН СССР, 1089. - С.' 20-39.

2. Нусннович Г.С., Павэльев Л.Б., Хиазяк В.И. Огранич-жта на выбор оптимальных параметров гзгреяроноз з условиях тгсурглздш мод // Радпотехзшзсз и электрозпзгеа. - 1ES9. - 'Г. 34, гг- 3. -С. 549-Ш2.

3. Dunbraja O., Hu^lnovich. 0.3. , Pavelyev А. В. ¡Iodo conpotition in a syrotron with tapered external rr,aánetic field // Int. 3.

Electronics. -1988. -v. 64, 33. 1, - ?. 137-145.

4. Нуситвич Г. С. , Пэвельез А. Б. Теоретическое исследование паразитной генерации на гармониках частоту рабочей мод: в гаротро-нах // Радиотехника я эле:сгро'п:ка. 1S37. - Т. 33, к- 6. -С. 1274-1200.

5. Завольекий Н. А., Цусгазович Г. С. , Пзвэльов А. Б. К теории паразитного шлучения в гирстронах // Изв. вуесз. Радаофзззяа. -1SS3. - Т. 31, >¿3. - С. Sol-363.

6. Ytycинович Г. С. , Лавэльзв Л. Б. Конкуренция ;.:од в гнреяроззе с НО^ПСС ИрОЕЗШЮЙ продольной струзсгурой ЕКСОКОЧаСТТтЗОГО поля: Препринт И» АН СССР а- 193. - Гсркатй, 1SB3.

7. Завольсюзй НА., Нусинович Г. С., Павельёз А. Б. Устсйчзтость

сдагомодовых колебаний и нестационарные процессы в гиротронах со саерхразмгркыми низкрдобротньш резонаторами // Гирсгтроны: СИ. науч. тр. - Горький: И» АН СОСР, 1999. - С. 84-112.

8. Голвдекберг А. Л., Малыгин В. И. , Павельев А. Б., Паваяьев В. Г., ГЬлкн А. В., Цкмринг О. Е. Мощный пгрспрон на высоких ».юдах связанных резонаторов с трансформацией код // Гироггрокч: Сб. науч. тр. - Горький: ИТФ АН ОХР, 1939. - С. 40-64.

9. Голвдекберг А. Л., Нусиноаич Г. С.. Павельев А. Б. Дифракционная добротность резонатора с винтовым гофром /У Гиротроны: Сб. науч. тр.- - Горький: №Ф АН СССР, 1980. - С. 91-37 СДСГО.

10. Гольдэнберг А. Л.» Павельев А. Б. Резонатор для ш„ера на циклотронном р630"3"1??: А-с- 1362347 СССР: МХИ Н 01 1 23/18, Н 01 Р 71/06.

ГЛАВА 1. Устойчивость колебаний рабочей моды шротрона в ре. зиме высохо1х> Щ1 Вынужденная паразитная генерация

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВБВДОТЕ

Стр. 4

на гармониках часгаты рабочей моды

1.1. Исходные уравнения

28

1.2. Несинхронное взаимодействие мод в гиротроне с фиксированной структурой ВЧ поля. Ограничение оптимальных параметров в условиях конкуренции мод. Влияние неоднородности статического маг ниткаго поля на условия самовозбуждения паразитных мод...............................

44

1.3. Несинхронное взаимодействие мод в гиротроне с

нефиксированной продольной структурой ВЧ поля 60