Высокоэффективное преобразование волн в электродинамических системах гиротронов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ
|
Богдашов, Александр Александрович
АВТОР
|
||||
|
кандидата физико-математических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Нижний Новгород
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
2004
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.04.04
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
На правах рукописи
БОГДАШОВ Александр Александрович
ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ВОЛН В ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ ГИРОТРОНОВ
01.04.04 - физическая электроника 01.04.03 - радиофизика
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
(
Нижний Новгород - 2004
Работа выполнена в Институте прикладной физики РАН, г. Нижний Новгород
Научный руководитель-
доктор физико-математических наук Г. Г. Денисов
Официальные оппоненты:
доктор физико-математических наук И. Г. Кондратьев,
кандидат физико-математических наук Э. Б. Абубакиров
Ведущее предприятие:
Институт радиотехники и электроники РАН (г. Москва)
Защита состоится «7» февраля 2005 г. в 14 час. на заседании диссертационного совета Д 002. 069. 02 в Институте прикладной физики РАН (603600, г. Нижний Новгород, ГСП-120, ул. Ульянова, 46)
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института прикладной физики РАН.
Автореферат разослан « 4 » января 2005 г.
Ученый секретарь специализированного совета д.ф.-м.н., профессор
Ю. В. Чугунов
3,9 ОЗи
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы
В последние десятилетия в различных областях физики и техники всё шире применяются мощные источники когерентного электромагнитного излучения миллиметрового диапазона длин волн - гиротроны [1*-4*]. В качестве рабочих мод в этих приборах используются моды круглого волновода (ТЕо2, ТЕ125, ТЕ25 ш и т. д.), обладающие сложной пространственной структурой. В свою очередь, передача излучения от гиротрона к потребителю осуществляется по волноводным трактам на модах с малыми омическим потерями (ТЕоь НЕП), или по зеркальным линиям - в виде гауссова волнового пучка. Преобразование рабочей моды гиротрона в собственную волну линии передачи осуществляется методами квазиоптики [5*-9*]. Несмотря на значительные достижения в этой области, задача повышения эффективности преобразователей и отдельных компонентов линий передач по-прежнему остаётся актуальной, так как именно характеристики электродинамических систем во многих случаях ограничивают предельные параметры приборов.
Гиротроны с выходной мощностью излучения ~1 МВт в длинно-импульсном режиме (до 1000 сек) используются в установках управляемого термоядерного синтеза (УТС) для электронно-циклотронного нагрева плазмы [4*]. Вследствие высокой выходной мощности допустимые потери в отдельных элементах гиротрона и последующей линии передачи, как правило, ограничены уровнем в единицы процентов. Так основным ограничивающим фактором при работе гиротрона в непрерывном режиме является перегрев различных частей прибора из-за омических и дифракционных потерь, и как следствие пробой внутри прибора или в линии. Для повышения мощности выходного излучения до 1.5-2 МВт в непрерывном режиме используются сверхразмерные электродинамические системы. Соответственно, квазиоптические методы преобразования пространственных структур волновых полей наилучшим образом соответствуют поставленной задаче.
Приборы с выходной мощностью в несколько киловатт в режиме непрерывной генерации применяются в плазмохимии, для обработки материалов микроволновым излучением, в источниках многозарядных ионов и других ♦ технологических приложениях. Разработка эффективных передающих линий для таких гиротронных комплексов также является важной научно-технической задачей.
Цели диссертационной работы
разработка новых способов преобразования пространственных структур электромагнитных полей, эффективной передачи и управления параметрами излучения в сверхразмерных системах;
разработка и оптимизация электродинамических сверхразмерных систем
для СВЧ-приборов и линий передачи большой а орф&'й'ЯционАЛьнл*
БИБЛИОТЕКА 1
СП
- . I . .ИМ» :»
Научная новизна
В диссертационной работе получены следующие новые результаты:
1. Построена аналитическая теория высокоэффективных преобразователей высших волноводных мод в собственные волны открытых зеркальных линий передачи [1]. На основе асимптотики Дебая функций Бесселя [10*, 12*] для основных типов зеркальных линий параметры преобразователей записаны в виде простейших формул. Для сверхразмерных волноводов показана прямая связь неэквидистантности волновых чисел мод, дифракционных длин бриллюэновских волновых пучков и длин преобразователей. Разработаны и испытаны высокоэффективные преобразователи типичных мод гиротрона (ТЕ,2 5, ТЕ25.1о) в гауссов пучок [2, 14, 15].
2. Предложена процедура синтеза последовательности фазовых корректоров, формирующих скалярный волновой пучок с заданным амплитудным распределением [3, 4]. Синтез основан на последовательной компенсации фазы до значения, определяемого синтезируемым полем на выходе системы. Каждый последующий фазовый корректор увеличивает коэффициент связи полученного поля с синтезируемым. Процедура использована при проектировании квазиоптических преобразователей ряда гиротронов для установок управляемого термоядерного синтеза (на частотах 84 ГГц, 110 ГГц, 140 ГГц и 170 ГГц) [5-10]. Метод синтеза фазовых корректоров Каценеленбаума - Семёнова обобщен на случай системы, содержащей дифракционную решётку Процедура использована при конструировании двухоконного 140 ГГц гиротрона [11].
3. Разработан и исследован квазиоптический преобразователь гиротрона со ступенчатой перестройкой частоты [12, 13, 18]. Преобразователь осуществляет высокоэффективное преобразование (-95%) нескольких рабочих мод гиротрона в гауссов волновой пучок в полосе частот 105 - 170 ГГц. Широкая полоса преобразования обеспечивается оптимизированными квазиоптическими зеркалами сложного профиля.
4. Разработана и реализована схема высокоэффективной линии передачи для технологических гиротронов [19-21]. Линия включает в себя фильтр, обеспечивающий развязку гиротрона с технологической камерой, высокоэффективные уголки (или повороты), направленные ответвители, преобразователи рабочей моды гиротрона в гауссов волновой пучок, элементы системы защиты, систему квазиоптических зеркал, формирующих поле в камере. Схема реализована в комплексе для спекания керамики (рабочая мода ТЕ1Ь частота 24 ГГц) и в комплексе для выращивания поликристаллических алмазных дисков (рабочая мода ТЕ02, частота 30 ГГц).
5. Предложен способ уменьшения дифракционных потерь в уголке сверхразмерного волновода, основанном на формировании оптимальной совокупности мод в области излома волновода. Дифракционные потери в уголке уменьшены по сравнению с традиционным вариантом в 10-20 раз. Волно-
водные уголки ТЕщ моды использованы в линии передачи на частоту 94 ГГц для радара, и на частоте 34.272ГГц - в линии передачи коллайдера следующего поколения [25-28]. Кроме того, с помощью волноводных уголков реализован кольцевой резонатор для испытания СВЧ - компонентов на большом уровне мощности [30]. Увеличением мощности волны в резонаторе составило 35.
Использование результатов работы
Результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы, использовались при разработке квазиоптических преобразователей мощных гиротронов для установок управляемого термоядерного синтеза, линий передачи микроволнового излучения в ИЯС РНЦ «Курчатовский институт», НПП «Гиком», ИПФ РАН, а также за рубежом. На основе предложенной автором процедуры синтеза последовательности фазовых корректоров разработаны квазиоптические преобразователи гиротронов на частоты 140ГГц (для системы ЭЦН на установке TEXTOR, Голландия), 170ГГц (в рамках международного проекта ITER), 1 ЮГГц (для установки D-III, США). Разработан высокоэффективный преобразователь гиротрона со ступенчатой перестройкой частоты для установки W7X (Германия).
Схема линии передачи для гиротронных комплексов реализована в действующих технологических установках - гиротронном комплексе для спекания керамики (рабочая мода ТЕП, частота 24 ГГц) и в экспериментальной установке для выращивания поликристаллических алмазных дисков (рабочая мода ТЕог, частота 30 ГГц).
Кроме того, автором разработан ряд СВЧ-компонентов, используемых для различных научных и технических приложений. Широкополосный возбудитель моды НЕи используется в Тель-Авивском университете для наладки передающей линии мазера на свободных электронах. Высокоэффективный волноводный уголок на моде ТЕш применяется в линии передачи для коллайдера следующего поколения (США). На основе волноводного уголка разработан кольцевой резонатор с бегущей волной для тестирования СВЧ-компонентов коллайдера на высоком уровне проходящей мощности.
Публикация и апробация результатов
Материалы диссертации докладывались автором на семинарах в ИПФ РАН, российско-германских семинарах по гиротронам и нагреву плазмы, международных конференциях по миллиметровым волнам, школах-семинарах МГУ (Москва). Материалы диссертации были представлены более чем в 20 докладах на следующих конференциях: «Strong microwaves in Plasmas» (Нижний Новгород, 1999), «Infrared and Millimeter Waves» (Colchester, UK, 1993; Sendai, Japan, 1994; Orlando, US, 1995; Berlin, Germany, 1996; Wintergreen, US, 1997; Colchester, UK, 1998; Monterey, US, 1999; Beijing, China, 2000; Toulouse,
France, 2001; Karlsruhe, Germany, 2004), конференция ЕС-10 (Holland, Arneland, 1998), школа-семинар по физике микроволн (Звенигород, 2003, 2004), конференции «Крымико-2002», «Крымико-2004» (Севастополь), IVEC 2004.
Структура и объём диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Объём диссертации составляет 144 страницы, включая 70 страниц основного текста, 130 рисунков, список литературы из 84 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы и сформулирована цель работы, кратко, по главам, изложено содержание диссертации.
Первая глава посвящена аналитической теории высокоэффективных преобразователей высших волноводных мод в собственные волны открытых зеркальных линий передачи [5*, 1]. На основании асимптотики Дебая [6*] для основных типов зеркальных линий параметры преобразователей записаны в виде простейших аналитических формул. Для сверхразмерных волноводов показана прямая связь неэквидистантности волновых чисел мод, дифракционных длин бриллюэновских волновых пучков и длин преобразователей. Для сравнения представлены результаты численных расчётов некоторых волноводных преобразователей. В разделе 1.1 на простейшем примере плоского волновода рассмотрена идея преобразования высшей волноводной ТЕ-моды в гауссов волновой пучок. На основании лучевого представления проиллюстрирована возможность такого преобразования при малой деформацией стенки волновода 1 «Х(1 - амплитуда деформации) [11*]. Образованием специальной смеси трёх мод на вырезе волновода формируется волновой пучок с малым уровнем рассеянного излучения [13*]. Расчёт волноводного преобразователя выполнен методом связанных волн [14*]. В разделе 1.2 представлен высокоэффективный преобразователь высшей моды круглого волновода в гауссов волновой пучок, включающий в себя волноводный преобразователь и квазипараболическое зеркало [6* 8*]. Определена смесь девяти мод круглого волновода, формирующих гауссов волновой пучок. Рассмотрены различные способы деформации волновода, обеспечивающей желаемую смесь мод" адиабатический [16*, 17*], однородный [9*] и укороченный. Последний способ позволяет уменьшить длину преобразователя в предельном случае до одной длины Бриллюэна Раздел 1.3 посвящен асимптотическим представлениям корней функции Бесселя. На их основании определены связи корней мод с близкими высокими азимутальными и радиальными индексами В разделе 1.4 приведены асимптотические формулы для параметров некоторых преобразователей: преобразователя высшей моды плоского волновода в гауссов пучок (подраздел 1.4.1), азимутальной группировки поля в круглом волноводе с де-
формацией (1.4.2), волноводные уголки для мод круглого волновода (1.4.3). Преобразователь моды ТЕ2<; ю круглого волновода в гауссов волновой пучок (частота 170 ГГц) рассчитан методом связанных волн (1.4.4) Полученные параметры преобразователя сравниваются с параметрами, полученными по асимптотическим формулам. В разделе 1.5 представлены результаты расчёта и экспериментального исследования преобразователя моды ТЕц5 в гауссов волновой пучок на малом уровне мощности. В подразделе 1.5.1 описан возбудитель моды ТЕ,2.5 круглого волновода, показаны измеренные распределения полей и спектры возбуждаемых ТЕ- и ТМ-мод. В подразделе 1.5.2 сравниваются экспериментальные результаты исследования преобразователей моды ТЕ125 в гауссов волновой пучок. Измеренное гауссово содержание [18*] в выходном волновом пучке нового высокоэффективного преобразователя составило 97.5 ± 1%, в то время как в традиционном - 82 ± 5%.
Глава 2 посвящена методам синтеза фазовых корректоров, и в частности - синтезу последовательности фазовых корректоров, формирующих заданное поле [4]. В разделе 2.1 сформулирована задача преобразования заданных амплитудных распределений скалярных параксиальных волновых пучков с помощью фазовых корректоров. Эффективность преобразования характеризуется коэффициентом связи волновых пучков. В разделе 2.2 на простом примере преобразования гауссовых волновых пучок парой фазовых корректоров рассмотрены дифракционные ограничения процедуры синтеза. Показано, что процедура синтеза Каценеленбаума - Семёнова [19*] в случае гауссовых волновых пучков подчиняется простому выражению, включающему параметр Френеля. В разделе 2.3 представлена новая процедура синтеза последовательности фазовых корректоров, осуществляющих асимптотически полное преобразование волновых пучков. На примере делителя гауссова пучка (раздел 2.4) численно продемонстрирована высокая эффективность преобразования в системе последовательных фазовых корректоров.
Глава 3 представляет экспериментальные результаты по разработке квазиоптических преобразователей мощных гиротронов для управляемого термоядерного синтеза и демонстрирует наглядное приложение идей, изложенных в предыдущих разделах (синтез фазовых корректоров, волноводные преобразователи высших мод в гауссов пучок). В каждом го разделов представлены квазиоптические преобразователи гиротронов и их конструктивные отличия. В разделе 3.1 описан квазиоптический преобразователь 140 ГГц двухоконного гиротрона [11]. Потери СВЧ-мощности внутри керамического (В 14) диска выходного окна ограничивают предельные параметры прибора. Для уменьшения тепловых нагрузок предложена система разделения выходной мощности на два идентичных окна. Деление волнового пучка осуществляется гофрированным зеркалом, размещённым между квазиоптическими зеркалами сложного профиля. Квазиоптические зеркала в приближении фазовых корректоров синтезированы по методу Каценеленбаума - Семёнова. Интенсивность поля на окнах прибора имеет равномерное распределение, что позволи-
ло повысить выходную мощность до 800 кВт при длительности импульса 3 секунды. В разделе 3.2 представлен квазиоптический преобразователь 140ГГц гиротрона с системой зеркал последовательной фазовой коррекцией [8, 10]. Выходная мощность 800кВт при длительности импульса 3 сек, измеренное гауссово содержание - 97.4%. В разделе 3.3 рассмотрен комбинированный квазиоптический преобразователь 170 ГГц гиротрона для проекта международного ТОКАМАКа (ITER). Преобразователь включает в себя как волноводный преобразователь, так и синтезированные зеркала сложного профиля [14]. В разделе 3.4 описан квазиоптический преобразователь гиротрона со ступенчатой перестройкой частоты в диапазоне 105 -140 ГТц [12, 13, 18].
Глава 4 включает себя результаты по разработки передающих линий для технологических гиротронных комплексов [19-21]. На примерах конкретных электродинамических систем продемонстрирована общая концепция построения таких передающих линий. Представлены расчёты и экспериментальные параметры высокоэффективных волноводных компонентов - преобразователей мод, волноводных поворотов и уголков, делителей мощности. В разделе 4.1 представлена концепция передающей линии для технологического гиротрона. Гиротрон работает на несогласованную нагрузку на уровне мощности в несколько киловатт в непрерывном режиме. Поэтому в линию передачи включается модовый фильтр, поглощающий отражённое от нагрузки излучение. В разделе 4.2 описана линия передачи экспериментального гиротронного комплекса (10 кВт / 30 ГГц) для выращивания алмазных поликристаллических плёнок в СВЧ-разряде. Линия передачи включает в себя преобразователь рабочей ТЕ02 моды гиротрона в гауссов волновой пучок, волноводную секцию, высокоэффективные волноводные уголки, делитель мощности, согласующие квазиоптические зеркала. Измеренный коэффициент передачи составил 86 ± 2%. Раздел 4.3 посвящен гиротронному комплексу (24 ГТц /1.5 кВт) для спекания керамики.
Глава 5 включает в себя экспериментальные результаты по разработке компонент передающих линий передач для гиротронных комплексов. В разделе 5.1 исследуется эффективность согласования моды ТЕМоо (гауссова пучка) открытой зеркальной линии с гибридной модой НЕП сверхразмерного гофрированного волновода [22]. Раздел 5.2 посвящён экспериментальным исследованиям возбудителей НЕП моды - широкополосного возбудителя на основе излучающего пирамидального рупора [23], а также возбудителя на основе профилирования волноводного перехода [21*-23*]. В разделе 5.3 представлен способ уменьшения потерь на разрыве волновода образованием смеси мод, обладающей оптимальной пространственной структурой [24 - 29]. На основании этой концепции построены высокоэффективные волноводные уголки мод ТЕ01 и НЕП- На основе ТЕ0| уголка реализован кольцевой резонатор для испытания СВЧ-компонентов (раздел 5.4) с коэффициентом увеличением поля бегущей волны 35 на частоте 34.272 ГТц [30].
В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы:
1 На основе асимптотики Дебая функций Бесселя построена аналитическая теория высокоэффективных преобразователей высших волноводных мод в собственные волны открытых линий передачи. Показано, что построение высокоэффективных преобразователей возможно для любых высоких индексов мод. Сформулирован рецепт преобразования рабочей моды гиро-трона в гауссов волновой пучок для слабо конического волновода. Разработаны и испытаны преобразователи мод гиротрона (в частности, ТЕ25 ш) в гауссов пучок. Достигнутый уровень дифракционных потерь (менее 2%) позволяет использовать такие преобразователи в гиротронах с выходной мощностью 1-2 МВт в непрерывном режиме. ' 2. Предложена процедура синтеза последовательности фазовых коррек-
торов, формирующих волновой пучок с заданным амплитудным распределением. Синтез основан на последовательной компенсации фазы до значения, ^ определяемого желаемым полем на выходе системы. Каждый последующий
фазовый корректор увеличивает коэффициент связи полученного поля с желаемым. Эта процедура использована при проектировании квазиоптических преобразователей гиротронов (с рабочими частотами 140ГГц и 170ГТц) для установок УТС.
3. Разработан и исследован квазиоптический преобразователь гиротрона со ступенчатой перестройкой частоты. Преобразователь осуществляет высокоэффективное преобразование (-95%) более десяти рабочих мод гиротрона в гауссов пучок в полосе частот 105 - 170 ГГц. Широкая полоса преобразования обеспечивается оптимизацией квазиоптических зеркал сложного профиля.
4. Разработана и реализована схема высокоэффективной линии передачи для технологических установок на основе гиротронов Линия включает в себя фильтр, обеспечивающий развязку гиротрона с технологической камерой, высокоэффективные волноводные уголки (или повороты), направленные ответвители, преобразователи рабочей моды гиротрона в гауссов волновой пучок, элементы системы защиты, систему квазиоптических зеркал, формирующих поле в технологическом объёме. Схема реализована в ряде гиро-тронных комплексов на частотах 30 ГГц и 24 ГГц.
5. Предложен способ уменьшения дифракционных потерь в уголке сверхразмерного волновода. Путём формирования оптимальной совокупности мод удалось уменьшить дифракционные потери в волноводном уголке по сравнению с традиционным вариантом в 10-20 раз. Волноводные уголки ТЕ01 моды использованы в линии передачи на частоту 95 ГГц для радара, и на частоте 34.272ГТц - для линии передачи коллайдера. С помощью ТЕ01 волноводных уголков реализован кольцевой резонатор для испытания СВЧ-компонентов на большом уровне мощности Увеличение мощности бегущей волны в резонаторе составило 35.
ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
1*. Gaponov-Grekhov A.V., Granatstein V.L. Novel Application of High Power Microwaves. Boston-London: Artech House Inc., 1994.
2*. Thumm M. State-of-the-Art of High power Gyro-Devices and Free Electron Masers // Forschungcentrum, Karlsruhe, Germany. 2003.
3*. Felch K.L., Danly B.G., Jory H.R.et al. Characteristics and Applications of Fast-Wave Gyro-device // Proc. of IEEE. 1999. V. 87, No. 5, P. 752-781.
4*. Денисов Г.Г., Запевалов B.E., Литвак А.Г., Мясников В.Е. Гиротроны мегаваттного уровня мощности для систем электронно-циклотронного нагрева и генерации тока в установках УТС // Известия вузов. Радиофизика. 2003. Т. 46, №10. С. 845-858.
5*. Ковалев Н.Ф., Орлова И.М., Петелин М.И. Трансформация волн в мно-гомодовом волноводе с гофрированными стенками II Известия вузов. Радиофизика. 1968. Т. 11, №6. С. 783-786.
6* Власов С.Н., Орлова И.М. Квазиоптический преобразователь волн волновода круглого сечения в узконаправленный волновой пучок // Известия вузов. Радиофизика. 1974. Т. 17, №1. С. 148-154.
7*. Власов С.Н, Загрядская Л.И., Петелин М.И. Преобразование волны шепчущей галереи, распространяющейся в волноводе кругового сечения, в волновой пучок // Радиотехника и электроника. 1975. Т.20, №10. С. 20262030.
8"". Власов С.Н., Ликин K.M. Геометрооптическая теория трансформаторов типов волн в сверхразмерных волноводах. II В кн. Гиротроны. Горький, ИПФАН, 1980. С. 125-138.
9*. Виноградов Д.В., Денисов Г.Г., Петелин М.И. Эффективное преобразование высших волноводных волн в волны открытых зеркальных линий передачи // Труды 10 школы-семинара по дифракции и распространению волн. М.: НИИРФ. 1993. С. 96-128.
10*. Ватсон Д.Н. Теория бесселевых функций. ИЛ, 1949.
11*. Вайнштейн Л.А Открытые резонаторы и открытые волноводы М.: Сов. радио, 1966.475 с.
12*. Бабич В.М., Булдырев В.С Асимптотические методы в задачах дифракции коротких волн. М.: Наука, 1972 456 с.
13*. Калошин В.А., Пангонис Л.И., Персиков М.В. Излучение из открытого конца косо срезанного волновода // Радиотехника и электроника. - 1974. -Т. 19, вып.5. - С.995-1000.
14*. Каценеленбаум Б.З. Теория нерегулярных волноводов с медленно-меняющимися параметрами. М.: АН СССР, 1961. 216 с.
15* Виноградов Д.В., Денисов Г.Г Преобразование волн в системах со скачком фазы коэффициентов связи // Изв. Вузов Радиофизика. 1990. Т. 33, №9. С. 1098-1100.
16*. Виноградов Д.В., Денисов Г.Г., Петелин М.И., Шер Э.М. О критериях адиабатичности нерегулярных волноведущих структур // Изв. Вузов Радиофизика. 1990. Т. 33, №9.
17*. Ковалёв Н.Ф. Адиабатическое преобразование волн в волноводах с неглубокой гофрировкой // Радиотехника и электроника 2002. Т. 47, №8. С. 927-934.
18*. Chirkov A.V., Denisov G.G., Alexandrov N.L. 3D Wavebeam Field Reconstruction from Intensity Measurements in a Few Cross-Sections // Optics Communication, Vol. 115, 1995, P. 449 - 452.
19*. Каценеленбаум Б.З., Семёнов B.B Синтез фазовых корректоров, формирующих заданное поле // Радиотехника и электроника. 1967 №12. С. 244 -252.
20*. Clarricoats Olver. Corrugated Horns for Micro wave Antennas // Peter Pere-grinus, 1984, P. 115.
21*. Thumm M. Computer-aided analysis and design of corrugated TE11 to HE11 mode converters in highly overmoded waveguides // Int. Journal of Infared and Millimeter Waves, Vol. 6, No.7,1985, P.215.
22*. Rebuffi L., Thumm M. Side Lobe Suppression in Radiated Mode Mixtures // Proceedings of the 14th Int. Conference on IR and MM Waves. Wursburg, 1989, P.154.
23*. Denisov G.G., Kuzikov S.V. Low-Lobes Antennas Based on Slightly Irregular Oversized Waveguides // Proceedings of the 20th Int. Conference on IR and MM Waves. Lake Buena Vista (Orlando), Florida, 1995. P.297.
СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
1. Богдашов A.A., Денисов Г.Г. Асимптотическая теория высокоэффективных преобразователей высших волноводных мод в собственные волны открытых зеркальных линий // Изв. вузов. Радиофизика. 2004. T.XLVII, №4, С.319-333.
2. Богдашов A.A., Денисов Г.Г., Родин Ю.В. Высокоэффективные преобразователи высшей моды круглого волновода в моду простейшей структуры // Сб. трудов 14-й межд. крымской конференции "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии" (КрыМиКо'2004), 9-13 сентября 2004. Севастополь: Вебер, 2004. С.377-379.
3. Bogdashov A.A., Chirkov A.V., Denisov G.G. et al. Mirror Synthesis for Gy-rotron Quasi-Optical Mode Converters // Int. J. of Infrared and Millimeter Waves. 1995, V. 16, No. 4. P. 735-744.
4. Bogdashov A., Denisov G Synthesis of phase corrector sequence forming the desired wave beam structure Digest of 29 Int. Conf. on IR and MM Waves, Karlsruhe, Sept. 27 - Oct.l 2004, W4.5. P.491-492.
5. Agapova M.V., Alikaev V.V., Axenova L.A., Bogdashov A.A., et al. Long -Pulse 110GHz / 1MW Gyrotron // Digest of the 20 Int. Conf. On Infrared and Millimeter Waves, - Lake Buena Vista, Florida, T4.8, 1995. P.205-206.
6. Denisov G.G., Chirkov A.V., Vinogradov D.V., Malygin V.I., Bogdashov A.A. Phase Corrector Synthesis and Field Measurements for Gyrotron Quasi-Optical Wave Beams // Digest of the 20 Int. Conf. on Infrared and Millimeter Waves, - Lake Buena Vista, Florida, 1995, Dec., P.483-485.
7. Myasnikov V.E., Agapova M.V., Bogdashov A.A., et al. Long-pulse operation of 110 GHz 1 MW gyrotron // Digest of the 22 Int. Conference on Infrared and Millimeter Waves, - Wintergreen, Virginia, Tl.l, 20-25 July, 1997, P.102.
8. Denisov G., Bogdashov A., Belousov V., et al. New results in Development of MW Power Gyrotrons for Fusion Systems, IVEC, 2003
9. Zapevalov V.E., Belousov V.I., Bogdashov A.A. et al. Evolution of I70GHz/ 1MW Gyrotron for ITER // Proceedings of XXVIII Int. Conference on IR and MM Waves, 2003, Tu8-1.
10. Denisov G.G, Zapevalov V E., Bogdashov A. A., Ilyin V.I. et al. Status of the 140 GHz/800 kW/3—10 s gyrotron for TEXTOR tokamak // Proc. 2nd IEEE Int. Vacuum Electronics Conf. IVEC (Noordwijk, Netherlands, 2—4 April 2001). Vol. 1. P.321-324.
11. Myasnikov V.E., Bogdashov A.A., et al. Development of 140 GHz / 1MW gyrotron with a dual RF beam output. // Digest of the 23 Int. Conference on Infrared and Millimeter Waves, 7-11 September, 1998, University of Essex, Colchester, Essex, United Kingdom. F1.8. P.375.
12. Zapevalov V.E., Bogdashov A.A., Chirkov A.V. et al. Optimization of the Frequency Step Tunable 105-170 GHz 1MW Gyrotron Prototype // Digest of the 27th Int. Conference on Infrared and Millimeter Waves, San Diego, California, USA, Sept. 22 - 26,2002. M 1.1. P. 1-2.
13. Запевалов B.E., Богдашов А.А., Денисов Г.Г, Куфтин A.H , Лыгин В К., Моисеев М.А., Чирков А.В. Разработка прототипа многочастотного мега-ваттного гиротрона в диапазоне 105-156 ГТц // Изв вузов. Радиофизика 2004. T.XLVII, №5-6. С.443-452.
14. Litvak A.G., Myasnikov V Е., Usachev S.V., Popov L.G., Agapova M.V., Ni-chiporenko V.O., Denisov G.G., Bogdashov A.A. et al. Development of 170GHz / 1MW / 50% / CW Gyrotron for ITER // Digest of 29 Int. Conf. on IR and MM Waves, Karlsruhe, Sept. 27 - Oct 1 2004, M4.3. P. 111-112.
15. Denisov G.G., Bogdashov A.A., Chirkov A.V., Pavel'ev A.B. Concepts and present status for multi-mode quasi-optical converters in gyrotrons // Digest of 29 Int. Conf. on IR and MM Waves, Karlsruhe, Sept. 27 - Oct.l 2004. W4.1. P.483-484.
16. Denisov G.G., Samsonov S.V., Bratman V.L.. Bogdashov A.A., Glyavin M.Yu., Luchinin A.G., Ligin V.K., M. Thumm. Frequency tunable CW Gyro-BWO with a Helically Rippled Operating Waveguide // Digest of 29 Int. Conf on IR and MM Waves, Karlsruhe, Sept. 27 - Oct.l 2004. Tu4.5. P. 235-236.
17. Hirshfield J.L., Nezhevenko O.A., Chingbao Wang, Yakovlev V.P., Bogdashov A.A., Bratman V.L., Chirkov A.V., Denisov G.G., Kuftin A.N., Samsonov S.V., Savilov A.V. 10MW, W-Band RF Source for Advanced Accelerator Research // Proceeding of European Particle Acceleration Conference, Vienna, 2000. P.2072-2074.
18. Bogdashov A.A., Chirkov A.V., Denisov G.G., Kuftin A.N., Lygin V.K., Moiseev M. A., Zapevalov V.E. Development of the step tunable 140/110 GHz 1 MW gyrotron for fusion // Proc. 25 Int. Conf. on Infrared and Millimeter Waves, Sept. 12-15,2000, Beijing, China, Conference Digest. P. 21-22.
19. Bogdashov A.A., Bykov Yu.V , Denisov G.G., Eremeev A.G., Glyavin M.Yu., Kalynova G.I., Kholoptsev V.V., Luchinin A.G., Plotnikov I.V., Semenov V.E., Zharova N.A. 24 - 84 GHz gyrotron systems for technological microwave application // Plasma Science, 2003. ICOPS 2003. IEEE Conference Record. The 30th International Conference on Publication Date: 2-5 June 2003. P. 536.
20. Bykov Yu., Eremeev A., Glyavin M., Bogdashov A., et al. Gyrotron compact system for materials processing // Proc. of the 26fll Int. Conf. on Infrared and Millimeter Waves, Toulouse, France. 10-14 Sept. 2001. P 156-160.
21. Bogdashov A., Bratman V., Bykov Yu., Denisov G., et al. The powerful microwave sources for materials processing // Proc. of the Second Int. Workshop on Infrared and Far-Infrared Technologies, September 12-13, 2002, Fukui, Japan. P. 122-148.
22. Denisov G.G., Alexandrov N.L., Bogdahsov A.A., et al. Calculations and Experiments on HE 11 Mode Excitation by Paraxial Wave Beams // Proc. of the 10 Workshop on Electron Cyclotron Emission and Electron Cyclotron Heating. Ameland, Holland, 6-11 April, 1997, Singapore: World Scientific Publishing. P.569-580.
23. Bogdashov A.A., Chirkov A.V., Denisov G.G, Rodin Y.V. Efficient Broad Band HEI 1 Mode Exciter // Int. Journal of Infrared and Millimeter waves, Vol. 23, Issue 8, Aug 2002 P. 1171-1178.
24. Alexandrov N.L, Bogdashov A.A , et al Development of transmission lines for microwave radiation of powerful gyrotrons // Proc of the Int Workshop "Strong Microwaves in Plasmas" Nizhny Novgorod, 2000. P.954-959.
25. Belousov V.I., Bogdashov A.A., Chirkov A.V., Denisov G.G., Kuzikov S.V. New components for TE01 transmission lines // Proc. of the Int. Workshop "Strong Microwaves in Plasmas". Nizhny Novgorod, 2000. P.948-953.
26. Bogdashov A.A., Chirkov A.V., Denisov G.G., Kuzikov S.V. Low Loss Miter Bends for Oversized Waveguides II24 Int. Infrared and Millimeter Wave Conference, USA, Monterey, 6-10 September, 1999. TH-A7.
27. Belousov V.I., Bogdashov A.A., Chirkov A.V., Denisov G.G. TE01-TEM00 Quasi-Optical Mode Converter // Int. Journal of Infrared and Millimeter Waves, Vol. 21, No. 2, Feb. 2000. P. 187-192.
28. Denisov G.G., Litvak A.G., Petelin M.I., Vikharev A.L., Kuzikov S.V., Gorbachev A.M., Paveliev V.G., Bogdashov A.A , Shmelev M.Yu., and. Hirshfield J.L. Study of Ka-Band Components for a Future High-Gradient Linear Accelerator // Digest of the 27th Int. Conference on Infrared and Millimeter Waves, San Diego, California, USA, Sept. 22 - 26,2002, TH2.1. P.305-306.
29. Samsonov S.V., Bratman G.G., Bratman V.L., Bogdashov A.A., Glyavin M.Y., Luchinin A.G., Lygin V.K., Thumm M.K. Frequency-Tunable CW Gyro-BWO With a Helically Rippled Operating Waveguide /ЛЕЕЕ Transactions on Plasma Science, Vol.32, No.3, June 2004. P.884-889.
30. Богдашов A.A., Денисов Г.Г., Луковников Д.А., Родин Ю.В, Хиршфельд Дж Прототип кольцевого резонатора для испытания узлов электронных приборов СВЧ м компонентов линий передач // Сб. трудов 14-й межд. крымская конференции "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии" (КрыМиКо'2004), 9-13 сентября 2004. Севастополь: Вебер, 2004, С. 665-667.
СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
СОДЕРЖАНИЕ...............................................................2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ...........................................4
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ............................................................ 8
ГЛАВА 1 ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ВЫСШИХ ВОЛНОВОДНЫХ ВОЛН
В СОБСТВЕННЫЕ ВОЛНЫ ОТКРЫТЫХ ЛИНИЙ ПЕРЕДАЧИ...........................11
1.1 Преобразование моды плоского волновода в параксиальный волновой пучок ..12 1 2 Преобразование моды круглого волновода в параксиальный волновой пучок ..21
1.3 Асимптотические формулы для квазиоптических преобразователей .........28
1 4 Примеры высокоэффективных преобразователей волноводных мод
в волны зеркальных линий Использование преобразователей.................. 32
1.4 1 Плоский волновод.................................................................... 32
1.4.2 Эллиптический волновод ........................................................ 32
1.4.3 Разрыв / уголок сверхразмерного волновода................................... 35
1.4.4 Высокоэффективные преобразователи гиротронов....................... 36
1 5 Экспериментальное исследование преобразователя моды ТЕ 12 5 в гауссов волновой пучок.................................................................................................39
1.5.1 Возбудитель моды ТЕ12 5 круглого волновода........................................39
1.5.2 Преобразователь моды ТЕ12.5 в гауссов волновой пучок.......................43
ГЛАВА 2 СИНТЕЗ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ ФАЗОВЫХ КОРРЕКТОРОВ, ФОРМИРУЮЩИХ ЗАДАННОЕ ПОЛЕ ........................................ 48
2.1 Введение..........................................................................................................48
2.2 Синтез Каценеленбаума - Семёнова двух фазовых корректоров.......... 48
2 3 Синтез последовательности фазовых корректоров..................................... 55
2 4 Примеры синтеза последовательности фазовых корректоров.................57
ГЛАВА 3 КВАЗИОПТИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ГИРОТРОНОВ........61
3.1 Квазиоптический преобразователь двухоконного 140ГГц гиротрона...... 63
3.2 Квазиошический преобразователь 140 ГГц / 800 кВт /3-10 сек гиротрона (синтез последовательных фазовых корректоров)............................................67
3.3 Комбинированный квазиоптический преобразователь 170 ГГц гиротона.. . 74
3.4 Преобразователь гиротрона со ступенчатой перестройкой частоты
105-140 ГГц.....................................................................................................82
ГЛАВА 4. СВЕРХРАЗМЕРНЫЕ ТРАКТЫ ГИРОТРОНОВ СРЕДНЕЙ МОЩНОСТИ ДЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК...........................................................90
4.1 Общие требования к трактам технологических установок.........90
4.2 Линия передачи 30 ГТц/10кВт гиротрона с рабочей модой ТЕог.. ... .91
4 3 Линия передачи 24 ГГц/3 кВт гиротрона с рабочей модой ТЕП ................103
ГЛАВА 5 КОМПОНЕНТЫ ВОЛНОВОДНЫХ ЛИНИЙ ПЕРЕДАЧИ............108
5 1 Возбуждение гофрированного волновода гауссовым волновым пучком......108
5 2 Возбудители моды НЕц гофрированного волновода............................. 111
5 3 Высокоэффективный волноводный уголок моды ТЕш........................119
5.4 Кольцевой ТЕ01 резонатор для тестирования СВЧ-компонентов... .... 127
ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................................... 135
ЛИТЕРАТУРА.............................................................................. 137
#25948
РНБ Русский фонд
2006^4 3902
Александр Александрович Богдашов
ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ВОЛН В ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ ГИРОТРОНОВ
Автореферат
Подписано к печати 27.12.2004 г Формат 60 х 90 '/|4 Бумага писчая № 1. Усл. печ. л. 1. УЧ.-ИЗД. л. 1. Тираж 100 экз. Заказ № 126(2004)
Отпечатано в типографии Института прикладной физики РАН, 603950 Н. Новгород, ул. Ульянова, 46
СОДЕРЖАНИЕ.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.
ГЛАВА 1. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ВЫСШИХ ВОЛНОВОДНЫХ ВОЛН В СОБСТВЕННЫЕ ВОЛНЫ ОТКРЫТЫХ ЛИНИЙ ПЕРЕДАЧИ.
1.1 Преобразование моды плоского волновода в параксиальный волновой пучок.
1.2 Преобразование моды круглого волновода в параксиальный волновой пучок.
1.3 Асимптотические формулы для квазиоптических преобразователей.
1.4 Примеры высокоэффективных преобразователей волноводных мод в волны зеркальных линий. Использование преобразователей.
1.4.1. Плоский волновод.
1.4.2 Эллиптический волновод.
1.4.3 Разрыв / уголок сверхразмерного волновода.
1.4.4. Высокоэффективные преобразователи гиротронов.
1.5 Экспериментальное исследование преобразователя моды ТЕ!2.5 в гауссов волновой пучок.
1.5.1 Возбудитель моды ТЕП.5 круглого волновода.
1.5.2 Преобразователь моды ТЕ12.5 в гауссов волновой пучок.
ГЛАВА 2. СИНТЕЗ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ ФАЗОВЫХ КОРРЕКТОРОВ,
ФОРМИРУЮЩИХ ЗАДАННОЕ ПОЛЕ.
2.1 Введение.
2.2 Синтез Каценеленбаума - Семёнова двух фазовых корректоров.
2.3 Синтез последовательности фазовых корректоров.
2.4 Примеры синтеза последовательности фазовых корректоров.
ГЛАВА 3. КВАЗИОПТИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ГИРОТРОНОВ.
3.1. Квазиоптический преобразователь двухоконного 140ГГц гиротрона.
3.2 Квазиоптический преобразователь 140 ГГц / 800кВт /3-10 сек гиротрона (синтез ^ последовательных фазовых корректоров).
3.3. Комбинированный квазиоптический преобразователь 170 ГГц гиротона.
3.4. Преобразователь гиротрона со ступенчатой перестройкой частоты 105-140 ГГц.
ГЛАВА 4. СВЕРХРАЗМЕРНЫЕ ТРАКТЫ ГИРОТРОНОВ СРЕДНЕЙ МОЩНОСТИ ДЛЯ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК.
4.1 Общие требования к трактам технологических установок.
4.2 Линия передачи ЗОГГц/ЮкВт гиротрона с рабочей модой ТЕ02.
4.3 Линия передачи 24 ГГц / 3 кВт гиротрона с рабочей модой ТЕ11.
ГЛАВА 5. КОМПОНЕНТЫ ВОЛНОВОДНЫХ ЛИНИЙ ПЕРЕДАЧИ.
5.1 Возбуждение гофрированного волновода гауссовым волновым пучком.
5.2 Возбудители моды НЕ11 гофрированного волновода.
5.3 Высокоэффективный волноводный уголок моды ТЕ01.
5.4 Кольцевой ТЕ01 резонатор для тестирования СВЧ-компонентов.
В последние десятилетия в различных областях физики и техники всё шире используются мощные источники когерентного электромагнитного излучения миллиметрового диапазона длин волн. В указанном диапазоне наибольшую мощность 1 МВт) в длинно-импульсном режиме (десятки и сотни секунд) обеспечивают гиротроны [1-3]. Гиротроны используются в системах электронно-циклотронного нагрева плазмы в установках управляемого термоядерного синтеза (УТС), в плазмохимии, для обработки материалов микроволновым излучением, а также в источниках многозарядных ионов. Обсуждается возможность применения гиротронов в спектроскопии, ускорителях частиц, радарах, ф Широкое использование гиротронов выдвигает на первый план задачу повышения мощности, длительности импульса и КПД прибора. Основным ограничивающим фактором при работе гиротрона на мегаваттом уровне мощности в непрерывном режиме является перегрев различных частей прибора из-за омических и дифракционных потерь. Использование всё более сверхразмерных электродинамических систем - вынужденная мера на пути повышения мощности гиротронов до 1.5 - 2 МВт.
Высокая эффективность электродинамических систем формирования и транспортировки излучения обеспечивает общую надёжность приборов. Вследствие очень большой мощности допустимые потери в отдельных элементах гиротрона и последующей линии передачи, как правило, ограничены уровнем в единицы процентов. Несмотря на значительные достижения в области разработки электродинамических систем для гиротронов и линий передач [4], задача остаётся по-прежнему очень важной и актуальной, так как именно характеристики электродинамических систем во многих случаях ограничивают предельные параметры приборов.
Цели диссертационной работы
Основные цели диссертации сформулированы как
- разработка новых способов преобразования пространственных структур электромагнитных полей, эффективной передачи и управления параметрами излучения в сверхразмерных системах;
- разработка и оптимизация электродинамических сверхразмерных систем для СВЧ-приборов и линий передачи большой мощности.
Научная новизна диссертации состоит в следующем:
1. Построена асимптотическая теория высокоэффективных преобразователей высших волноводных мод в собственные волны открытых зеркальных линий передачи. Для основных типов зеркальных линий параметры преобразователей записаны в виде простейших аналитических формул. Разработаны и испытаны преобразователи рабочих мод гиротрона (ТЕ12.5 , ТЕ25.10) в гауссов пучок. Измеренный уровень дифракционных потерь в преобразователях составил менее 2%.
2. Предложена процедура синтеза последовательности фазовых корректоров, формирующих волновой пучок с заданным амплитудным распределением. Синтез основан на последовательной компенсации фазы до значения, определяемого желаемым полем на выходе системы. Каждый последующий фазовый корректор увеличивает коэффициент связи полученного поля с желаемым. Эта процедура использована при проектировании квазиоптических преобразователей ряда гиротронов для установок управляемого термоядерного синтеза (с рабочими частотами 140ГГц и 170ГГц). Процедура синтеза фазовых корректоров Каценеленбаума - Семёнова обобщена на случай системы, содержащей дифракционную решётку. Процедура использована при конструировании двухоконного 140 ГГц гиротрона.
3. Разработан и исследован квазиоптический преобразователь гиротрона со ступенчатой перестройкой частоты. Преобразователь осуществляет высокоэффективное преобразование (-95%) более десяти рабочих мод гиротрона в гауссов пучок в полосе частот 105 - 170 ГГц. Широкая полоса преобразования обеспечивается квазиоптическими синтезированными зеркалами сложного профиля.
4. Разработана и реализована схема высокоэффективной линии передачи для технологических гиротронов. Линия включает в себя фильтр, обеспечивающий развязку гиротрона с технологической камерой, высокоэффективные волноводные уголки (или повороты), направленные ответвители, преобразователи рабочей моды гиротрона в гауссов волновой пучок, элементы системы защиты, систему квазиоптических зеркал, формирующих поле в технологическом объёме. Схема реализована в ряде гиротронных комплексов (рабочая мода ТЕ02, £=30 ГГц и ТЕ11,
24 ГГц).
5. Предложен способ уменьшения дифракционных потерь в уголке сверхразмерного волновода. Путём формирования оптимальной совокупности мод удалось повысить эффективность волноводного уголка по сравнению с традиционным вариантом в 10-20 раз. Волноводные уголки ТЕ01 моды использованы в линии передачи на частоту 95 ГГц для радара, и на частоте 34.272ГГц - для линии передачи коллайдера следующего поколения. Кроме того, с помощью ТЕ01 волноводных уголков реализован кольцевой резонатор для испытания СВЧ-компонентов на большом уровне мощности. Увеличение мощности бегущей волны в резонаторе составило 35.
Практическая значимость и использование результатов работы
Результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы, использовались при разработке квазиоптических преобразователей мощных гиротронов для установок управляемого термоядерного синтеза, линий передачи микроволнового излучения в ИЯС РНЦ «Курчатовский институт», НПП «Гиком», ИПФ РАН, а также за рубежом. Предложенная автором процедура синтеза последовательности фазовых корректоров [22] использована при разработке квазиоптических преобразователей гиротронов 140ГГц (для системы ЭЦН на установке TEXTOR, Голландия) [37], 170ГГц гиротрона в рамках международного проекта ITER [32], ИОГГц (для установки D-Ш, США) [15, 26, 28]. Разработан высокоэффективный преобразователь гиротрона со ступенчатой перестройкой частоты для установки W7X (Германия) [33, 52, 57]. На основании развитой асимптотической теории волноводных преобразователей [18, 55] ведётся разработка 170 ГГц гиротрона с выходной мощность 1.5-2МВт (непрерывный режим генерации) [32,33]. Концепция линии передачи для гиротронных комплексов реализована в технологических установках (24ГГц - рабочая мода ТЕц; ЗОГГц - ТЕог) [51].
Кроме того, автором разработан ряд СВЧ-компонентов, используемых для различных научных и технических приложений [62]. Широкополосный возбудитель моды НЕ и [38,43] используется в университете Тель-Авива для наладки передающей линии мазера на свободных электронах. Высокоэффективный уголок на моде ТЕ01 применяется в линии передачи для коллайдера следующего поколения (США) [47, 58, 59, 65]. На основе данного уголка разработан кольцевой резонатор с бегущей волной для тестирования СВЧ-компонентов коллайдера на высоком уровне проходящей мощности. Волноводный преобразователь для уменьшения потерь на разрыве волновода использован при разработке широкополосной гиро-JIOB с винтовым волноводом [34, 56].
Апробация работы
Материалы диссертации докладывались автором на семинарах в ИПФ РАН, российско-германских семинарах по гиротронам и нагреву плазмы, международных конференциях по миллиметровым волнам, школах-семинарах МГУ (Москва).
Материалы диссертации были представлены в более чем 20 докладах на следующих конференциях:
Strong microwaves in Plasmas» (Нижний Новгород, 1999), «Infrared and Millimeter Waves» (Colchester, UK 1993; Sendai, Japan 1994; Orlando, US 1995; Berlin, Germany 1996; Wintergreen, US 1997; Colchester, UK 1998; Monterey, US 1999; Beijing, China 2000; Toulouse, France 2001; Karlsruhe, Germany 2004), Школа-семинар по физике микроволн (МГУ, Звенигород 2003, 2004), Конференции «Крымико-2002», «Крымико-2004» (Севастополь), конференция ЕС-10 (Ameland, 1998), IVEC 2004.
Публикации
L¿
Список литературы по теме диссертации содержитЛ^пунктов. Из них т статей, тезисов докладов на международных и российских конференциях, препринт ИПФ РАН и лабораторная работа для студентов ВШОПФ.
Структура диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Объём диссертации составляет 144 страницы, включая 70 страниц основного текста, 130 рисунков, список литературы из 84 наименований.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В диссертационной работе получены следующие новые результаты:
1. На основе асимптотики Дебая функций Бесселя построена аналитическая теория высокоэффективных преобразователей высших волноводных мод в собственные волны открытых линий передачи. Показано, что построение высокоэффективных преобразователей возможно для любых высоких индексов мод. Сформулирован рецепт преобразования рабочей моды гиротрона в гауссов волновой пучок для слабо конического волновода. Разработаны и испытаны преобразователи мод гиротрона (в частности, ТЕ25.10) в гауссов пучок. Достигнутый уровень дифракционных потерь (менее 2%) позволяет использовать такие преобразователи в гиротронах с выходной мощностью 1-2 МВт в непрерывном режиме.
2. Предложена процедура синтеза последовательности фазовых корректоров, формирующих волновой пучок с заданным амплитудным распределением. Синтез основан на последовательной компенсации фазы до значения, определяемого желаемым полем на выходе системы. Каждый последующий фазовый корректор увеличивает коэффициент связи полученного поля с желаемым. Эта процедура использована при проектировании квазиоптических преобразователей гиротронов (с рабочими частотами 140ГГц и 170ГТц) для установок У ТС.
3. Разработан и исследован квазиоптический преобразователь гиротрона со ступенчатой перестройкой частоты. Преобразователь осуществляет высокоэффективное преобразование (-95%) более десяти рабочих мод гиротрона в гауссов пучок в полосе частот 105 - 170 ГГц. Широкая полоса преобразования обеспечивается оптимизацией квазиоптических зеркал сложного профиля.
4. Разработана и реализована схема высокоэффективной линии передачи для технологических установок на основе гиротронов. Линия включает в себя фильтр, обеспечивающий развязку гиротрона с технологической камерой, высокоэффективные волноводные уголки (или повороты), направленные ответвители, преобразователи рабочей моды гиротрона в гауссов волновой пучок, элементы системы защиты, систему квазиоптических зеркал, формирующих поле в технологическом объёме. Схема реализована в ряде гиротронных комплексов на частотах 30 ГГц и 24 ГГц.
5. Предложен способ уменьшения дифракционных потерь в уголке сверхразмерного волновода. Путём формирования оптимальной совокупности мод удалось уменьшить дифракционные потери в волноводном уголке по сравнению с традиционным вариантом в 10-20 раз. Волноводные уголки ТЕ01 моды использованы в линии передачи на частоту 95 ГГц для радара, и на частоте 34.272ГГц - для линии передачи коллайдера. С помощью ТЕ01 волноводных уголков реализован кольцевой резонатор для испытания СВЧ-компонентов на большом уровне мощности. Увеличение мощности бегущей волны в резонаторе составило 35.
1. Gaponov-Grekhov A.V., Granatstein V.L. Novel Application of High Power Microwaves. Boston-London: Artech House 1.c., 1994.
2. Thumm M. State-of-the-Art of High power Gyro-Devices and Free Electron Masers. Update 2000. Forschungcentrum Karlsruhe, Germany. 2001.
3. Felch K.L., Danly B.G., Jory H. R. et al. Characteristics and Applications of Fast-Wave Gyro-device // Proc. of IEEE. 1999. V. 87, No. 5, P. 752-781.
4. Денисов Г.Г., Запевалов B.E., Литвак А.Г., Мясников В.Е. Гиротроны мегаваттного уровня мощности для систем электронно-циклотронного нагрева и генерации тока в установках УТС // Известия вузов. Радиофизика. 2003. Т. 46, №10. С. 845-858.
5. Виноградов Д.В., Денисов Г.Г., Петелин М.И. Эффективное преобразование высших волноводных волн в волны открытых зеркальных линий передачи // Труды 10 школы-семинара по дифракции и распространению волн. Москва, 7-15 февраля, НИИРФ. 1993. С. 96-128.
6. Ватсон Д. Н. Теория бесселевых функций. М.:ИЛ, 1949.
7. Вайнштейн Л. А. Открытые резонаторы и открытые волноводы. М.: Сов. радио, 1966. - 475 с.
8. Бабич В.М., Булдырев B.C. Асимптотические методы в задачах дифракции коротких волн. М.: Наука, 1972. 456 с.
9. Калошин В.А., Пангонис Л.И., Персиков М.В. Излучение из открытого конца косо срезанного волновода // Радиотехника и электроника. 1974. - Т.19, вып.5. -С.995-1000.
10. Каценеленбаум Б.З. Теория нерегулярных волноводов с медленно-меняющимися параметрами. М.: АН СССР, 1961. 216 с.
11. И. Ковалев Н.Ф., Орлова И.М., Петелин М.И. Трансформация волн в многомодовом волноводе с гофрированными стенками // Известия вузов. Радиофизика. 1968. Т. 11, №6. С. 783-786.
12. Власов С.Н., Орлова И.М. Квазиоптический преобразователь волн волновода круглого сечения в узконаправленный волновой пучок // Известия вузов. Радиофизика. 1974. Т. 17, №1. С. 148-154.
13. Власов С.Н., Загрядская Л.И., Петелин М.И. Преобразование волны шепчущей галереи, распространяющейся в волноводе кругового сечения, в волновой пучок // Радиотехника и электроника. 1975. Т.20, №10. С. 2026-2030.
14. Власов С.Н., Ликин К.М. Геометрооптическая теория трансформаторов типов волн в сверхразмерных волноводах. // В кн. Гиротроны. Горький, ИПФ АН, 1980. С. 125138.
15. Bogdashov А.А., Chirkov A.V., Denisov G.G. et al. Mirror Synthesis for Gyrotron . Quasi-Optical Mode Converters // Int. J. of Infrared and Millimeter Waves. 1995,
16. Vol.16, No. 4. P. 735-744.
17. Виноградов Д.В., Денисов Г.Г. Преобразование волн в системах со скачком фазы коэффициентов связи // Изв. вузов. Радиофизика. 1990. Т. 33, № 9. С. 1098-1100.
18. Виноградов Д.В., Денисов Г.Г., Петелин М.И., Шер Э.М. О критериях адиабатичности нерегулярных волноведущих структур // Изв. Вузов. Радиофизика. 1990. Т. 33, №9. С.
19. Богдашов А.А., Денисов Г.Г. Асимптотическая теория высокоэффективных с- преобразователей высших волноводных мод в собственные волны открытыхзеркальных линий // Изв. Вузов. Радиофизика. 2004. Т.ХЬУП, №4, С.319-333.
20. Ковалёв Н.Ф. Адиабатическое преобразование волн в волноводах с неглубокой гофрировкой // Радиотехника и электроника, 2002. Т. 47, №8. С. 927 934.
21. Chirkov А.V., Denisov G.G., Alexandrov N.L. // Optics Communication, Vol.115, 1995, P. 449 452.
22. Каценеленбаум Б.З., Семёнов B.B. Синтез фазовых корректоров, формирующих заданное поле // Радиотехника и электроника, 1967, №12, С. 244 252.
23. A. Bogdashov, G. Denisov. Synthesis of phase corrector sequence forming the desired wave beam structure // Digest of 29th Int. Conf. on IR and MM Waves, Karlsruhe, Sept. 27 Oct.l 2004, W4.5, P.491-492.
24. G.G. Denisov, Megawatt gyrotron for fusion research. State of the art and trends of development // Proc of the Int. Workshop "Strong Microwaves in Plasmas", Nizhny Novgorod, 2003, P.29-45.
25. Thumm M. Development of output windows for high-power long-pulse gyrotrons and EC wave applications // Int. J. Infrared and Millimeter Waves, Vol.19. 1998. P.3-14.
26. Myasnikov V.E., Agapova M.V., Bogdashov A.A., et al. Development of 140 GHz / ^ 1MW gyrotron with a dual RF beam output. // Digest of the 23rd International
27. Conference on Infrared and Millimeter Waves, 7-11 September, 1998, University of Essex, Colchester, Essex, United Kingdom. F1.8, P.375.
28. Agapova M.V., Alikaev V.V., Axenova L.A., Bogdashov A.A., Borshegovsky A.S., Keyer A.P., Denisov G.G, Flyagin V.A., Fix A.Sh., Ilyin V.I., Ilyin V.N., Khmara V.A., Kostyna A.N., Kuflin A.N., Myasnikov V.E., Nichiporenko V.O., Popov L.G.,K
29. Zapevalov V.E., Zakirov F.G. Long -Pulse 110GHz / 1MW Gyrotron // Digest of the 20th Int. Conf. On Infrared and Millimeter Waves, Lake Buena Vista, Florida, T4.8, 1995, P.205-206.
30. Denisov G.G., Chirkov A.V., Vinogradov D.V., Malygin V.I., Bogdashov A.A. Phase Corrector Synthesis and Field Measurements for Gyrotron Quasi-Optical Wave Beams //
31. K Digest of the 20th Int. Conf. on Infrared and Millimeter Waves, Lake Buena Vista, Florida, 1995, Dec., P.483-485.
32. Myasnikov V.E., Agapova M.V., Bogdashov A.A., et al. Long-pulse operation of 110 GHz 1 MW gyrotron // Digest of the 22 Int. Conference on Infrared and MillimeterK
33. Waves, Wintergreen, Virginia, Tl.l, 20-25 July, 1997, P.102.
34. Denisov G., Bogdashov A., Belousov V., et al. New results in Development of MW
35. Power Gyrotrons for Fusion Systems, IVEC, 2003
36. Zapevalov V.E., Belousov V.I., Bogdashov A.A. et al. Evolution of 170GHz/ 1MW k Gyrotron for ITER. // Proc. of XXVm Int. Conference on IR and MM Waves, 2003,1. Tu8-1.
37. Zapevalov V.E., Belousov V.I., Bogdashov A.A. Evolution of Russian Gyrotrons for Fusion and Technological Application
38. Litvak A.G., Myasnikov V.E., Usachev S.V., Popov L.G., Agapova M.V., Nichiporenko V.O., Denisov G.G., Bogdashov A.A. et al. Development of 170GHz / 1MW / 50% /K
39. CW Gyrotron for ITER // Digest of 29th Int. Conf. on IR and MM Waves, Karlsruhe, Sept. 27 Oct.l 2004, M4.3, P.l 11-112.
40. Denisov G.G., Bogdashov A.A., Chirkov A.V., Pavel'ev A.B. Concepts and present ^ status for multi-mode quasi-optical converters in gyrotrons // Digest of 29th Int. Conf. on1. and MM Waves, Karlsruhe, Sept. 27 Oct.l 2004, W4.1, P.483-484.
41. Denisov G.G., Samsonov S.V., Bratman V.L., Bogdashov A.A., Glyavin M.Yu., Luchinin A.G., Ligin V.K., Thumm M. Frequency tunable CW Gyro-BWO with a
42. Helically Rippled Operating Waveguide // Digest of 29th Int. Conf. on IR and MM Waves, Karlsruhe, Sept. 27 Oct.1 2004, Tu4.5, P. 235-236.
43. Denisov G.G., Zapevalov V.E., Bogdashov A.A., Ilyin V.l. et al. Status of the 140GHz / 800kW / 3-10 s gyrotron for TEXTOR tokamak // Proc. 2nd IEEE Int. Vacuumч
44. Electronics Conf. IVEC. Noordwijk, Netherlands, 2-4 April 2001. Vol. 1, P. 321-324.
45. Denisov G.G., Alexandrov N.L., Bogdahsov A.A., et al. Calculations and Experiments on НЕц Mode Excitation by Paraxial Wave Beams // Proc. of the 10th Workshop onК
46. Electron Cyclotron Emission and Electron Cyclotron Heating. Ameland, Holland, 6-11 April, 1997, Singapore: World Scientific Publishing, P.569-580.
47. Thumm M. Computer-aided analysis and design of corrugated TE11 to HE11 mode converters in highly overmoded waveguides // Int. Journal of Infared and Millimeter Waves, Vol. 6, No.7,1985.
48. Rebuffi L., Thumm M. Side Lobe Suppression in Radiated Mode Mixtures // Proceedings of the 14th Int. Conference on IR and MM Waves. Wursburg, 1989, P. 154.
49. Denisov G.G., Kuzikov S.V. Low-Lobes Antennas Based on Slightly Irregular Oversized Waveguides // Proc. of the 20th Int. Conference on IR and MM Waves. Lake Buena Vista (Orlando), Florida, 1995, P.297.
50. Aleksandrov N.L., Chirkov A.V., Denisov G.G., Kuzikov S.V. Mode content analysis from intensity measurements in a few cross sections of oversized waveguides // Int. Journal of Infrared and Millimeter Waves. 1997, Vol.18, №6, P. 1324-1333.
51. Bogdashov A.A., Chirkov A.V., Denisov G.G., Rodin Y.V. Efficient Broad Band НЕц ^ Mode Exciter // Int. Journal of Infrared and Millimeter Waves: Vol.23, Issue 8, Aug2002, P. 1171-1178.
52. Вайнштейн JI. А. Теория диффракции и метод факторизацию. М.: Сов. радио, 1966.-431 с.
53. Bogdashov A.A., Denisov G.G., Lukovnikov D.A., Rodin Yu.V., Panin A.N. Resonant notch filters based on rectangular waveguide extensions // Proc. of the 3rd Int.К
54. Conference on Microwave and Millimeter Technology Proceedings, Bejing, 2002, P. 1029-1032
55. Belousov V.I., Bogdashov A.A., Chirkov A.V., Denisov G.G. TE01-TEM00 Quasi-c Optical Mode Converter // bit. Journal of Infrared and Millimeter Waves, Vol. 21, No. 2,1. Feb 2000, P. 187-192.
56. Bogdashov A.A., Bykov Yu.V., Denisov G.G., Eremeev A.G., Glyavin M.Yu., Kalynova G.I., Kholoptsev V.V., Luchinin A.G., Plotnikov I.V., Semenov V.E., Zharova N.A. 24 84 GHz gyrotron systems for technological microwave application // Plasma
57. K Science, 2003. ICOPS 2003. IEEE Conference Record Abstracts. The 30th International Conference on Publication Date: 2-5 June 2003, P. 125.
58. Alexandrov N.L., Chirkov A.V., Denisov G.G. et al. Selective excitation of high-order modes in circular waveguides // Int. Journal of Infrared and Millimeter Waves, Vol. 13, No. 9,1992, P.1369-1385.
59. Власов C.H., Жислин Г.М., Орлова И.М., Петелин М.И., Рогачёва Г.Г. Открытые резонаторы в виде волноводов переменного сечения // Изв. Вузов. Радиофизика. -1969. Т. 12, вып.8. - С.1236-1244.
60. Богдашов А.А., Денисов Г.Г. Асимптотическая теория высокоэффективных я преобразователей высших волноводных мод в собственные волны открытыхзеркальных линий: Препринт ИПФ РАН №652, Н.Новгород, 2003, 32 с.
61. Запевалов B.E., Богдашов A.A., Денисов Г.Г., Куфтин А.Н., Лыгин В.К., Моисеев М.А., Чирков А.В. Разработка прототипа многочастотного мегаваттного гиротронаОв диапазоне 105 -156 ГГц // Известия вузов. Радиофизика. 2004. T.XLVII, №5-6, С.443-452.
62. Kuznetsov S.O., Malygin V.I. Determination of gyrotron wave beam parameters. Int. Journal of Infrared and Millimeter Waves, 1991, Vol.12, No.ll, P.1241-1252.
63. Marie P. Transitions creant le mode TE01 circulaire a partir du mode TEoi rectangulaire // L'onde electrique, Suppl. Special, 1957, Vol.2, P.471.
64. Alexandrov N.L., Bogdashov A.A. et al. Development of transmission lines for microwave radiation of powerful gyrotrons // Proc of the Int. Workshop "Strongк
65. Microwaves in Plasmas", Nizhny Novgorod, 2000, P.954-959.
66. Denisov G.G., Shmelev M.Y. Effective Power Input into Quasi-Optical Cavity with Travelling Wave // Int. Jour, of Infrared and Millimeter Waves, 1991, Vol.12, №10, P.l 187-1194.
67. Denisov G.G., Kuzikov S.V., Vinogradov D.V., Chirkov A.V. A Compact and Efficient Transmission Line for a Technological Gyrotron // Proc. of the 22nd Int Conf. on Infrared and Millimeter Waves, 1997, P.31-32.
68. Belousov V.I., Bogdashov A.A., Chirkov A.V., Denisov G.G., Kuzikov S.V. New K components for TEoi transmission lines // Proc. of the Int. Workshop "Strong
69. Microwaves in Plasmas", Nizhny Novgorod, 2000, P.948-953.
70. Denisov G.G., Kuftin A.N., Malygin V.I., et al. 110 GHz gyrotron with a Built-in High-Efficient Converter // Int. J. of Electronics, 1992, Vol.72, Nos.5-6, P. 1079-1091.
71. Claricoats P.J.B., Olver A.D. and Chong S.L. Attenuation in corrugated circular waveguides // Proc. of ШЕ, Vol.122, No.l 1,1975, P.l 173-1186.
72. Doan J.L. Propagation and mode coupling in Corrugated and Smooth-Wall Circular Waveguides // Infrared and Millimeter waves. Edit, by K.J. Button, 1990, Vol.13, Part 4, P. 123-170.
73. Власов C.B., Шапиро M.A. Использование биэвольвентных зеркал для переноса каустических поверхностей // Письма в ЖТФ. 1989. -Т. 15, вып. 10. - С. 8-11.
74. Bykov Yu., Eremeev A., Glyavin М., A. Bogdashov et al. Gyrotron compact system for K materials processing // Proc. of the 26th Int. Conf. on Infrared and Millimeter Waves,
75. Toulouse, France. 10-14 Sept. 2001, P. 156-160.
76. Bogdashov A., Bratman V., Bykov Yu., Denisov G., et al. The powerful microwave ^ sources for materials processing // Proc. of the Second Int. Workshop on Infrared and
77. Far-Infrared Technologies, September 12-13,2002, Fukui, Japan. P.122-148.
78. Маркатили E. Излом волновода с плоским зеркалом для симметричной электрической волны // Квазиоптика / Пер. под ред. Б. 3. Каценеленбаума и В. В. Шевченко: Избранные доклады на международном симпозиуме. М.: Мир, 1966. С.361-369.
79. Ваганов Р.Б. Измерение потерь в некоторых квазиоптических волноводных элементах // Радиотехника и электроника. 1963. Т.8, №7. С.1264-1266.
80. Пискунова JI.B., Шапиро М.А. Излучение симметричных волн из нерегулярных сверхразмерных волноводов и рупоров // Изв. вузов. Радиофизика. 1987. Т.30, №3. С.440-444.
81. Власов С.Н., Шапиро М.А. Трансформация волн в квазиоптических волноводных линиях передачи // Гиротроны / под ред. В.А.Флягина: Сб. Науч. Тр. Горький: ИПФ АН СССР, 1990. С.133-153.
82. Murphy J.A. Distortion of a simple Gaussian beam on reflection from off-axis ellipsoidal mirrors // Int. J. of Infrared and Millimeter Waves. 1987. Vol.8, No.9. P.1165-1187.
83. Dumbrajs O., Heikkinen J.A., Zohm H. // Nuclear Fusion. 2001. Vol.41, No. 7. P.927.
84. Zapevalov V.E., Kuftin A.N. // Proc. Int. Workshop "Strong Microwaves in Plasmas", Suzdal, 1990. P.726.
85. Braz O., Dammertz G., Kuntze M., Thumm M. // bit. J. Infrared and Millimeter Waves. 1997. Vol.18, No.8.P.1465.
86. Dammertz G., Braz O., Chopra A.K., et al. // IEEE Trans. Plasma Sci. 1999. Vol.27. No2. P. 330.
87. Thumm M., Arnold A., Borie E., et al. // Fusion Engineering and Design. 2001. Vol.53. P.407.
88. Laurent L., Caryotakis G. et al. Pulsed RF Breakdown Studies // SPIE Microwave Intense Pulses VII. Orlando, Florida, April 24-26, 2000. SLAC-PUB-8409.P.
