WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


На правах рукописи

САМСОНОВ Сергей Викторович

ГИРОРЕЗОНАНСНЫЕ ПРИБОРЫ И СВЧ КОМПРЕССОРЫ НА ОСНОВЕ ВОЛНОВОДОВ С ВИНТОВОЙ ГОФРИРОВКОЙ ПОВЕРХНОСТИ

01.04.04 –физическая электроника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Нижний Новгород - 2007

Работа выполнена в Институте прикладной физики Российской Академии наук, г. Нижний Новгород

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, Стрелков Павел Сергеевич доктор физико-математических наук Ростов Владислав Владимирович доктор физико-математических наук Вихарев Анатолий Леонтьевич

Ведущая организация: Объединенный институт ядерных исследований, г. Дубна, Московской обл.

Защита диссертации состоится «____»_____________2007 г. в ____ часов на заседании диссертационного совета Д 002. 069.02. при Институте прикладной физики РАН по адресу:

603950, г. Нижний Новгород, ул.Ульянова, 46.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института прикладной физики РАН по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул.Ульянова, 46.

Автореферат разослан «____» ______________ 2007 года.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук, профессор Чугунов Ю.В.

Актуальность темы диссертации В диссертационной работе представлены исследования, направленные на создание новых мощных источников когерентного электромагнитного излучения миллиметрового и сантиметрового диапазонов длин волн. В последние годы такие источники на основе вакуумных электронных приборов все шире используются как для исследовательских, так и для прикладных целей (физика плазмы, ускорение элементарных частиц до высоких энергий, плазмохимия, мониторинг атмосферы, биология, радиолокация, связь, модификация материалов, медицина и др. [1-4]). Основными направлениями развития данных приборов являются повышение импульсной и средней мощности, расширение диапазона перестройки частоты (для генераторов) и мгновенной полосы усиления (для усилителей), повышение КПД, снижение массогабаритных параметров.

В миллиметровом диапазоне длин волн наиболее высокий уровень средней мощности обеспечивается мазерами на циклотронном резонансе (МЦР), среди которых в настоящее время широко используются в приложениях только гиротроны (генераторы) и гироклистроны (усилители) [5], несмотря на то, что вначале были предложены гироприборы с бегущими волнами [6-8] - лампы бегущей волны (гиро-ЛБВ) и лампы обратной волны (гиро-ЛОВ). Эти приборы аналогичны традиционным лампам бегущей и обратной волны, но отличаются от последних тем, что в них электроны двигаются по винтовым траекториям и взаимодействуют с быстрыми волнами в волноводах с гладкими стенками, благодаря чему удается получать очень высокие уровни мощности излучения на коротких волнах. Перестройка частоты излучения в гиро-ЛОВ и полоса усиливаемых частот в гиро-ЛБВ могут быть на порядок шире, чем в гиротронах и гироклистронах, в которых используются высокодобротные резонаторы. Поэтому для приложений, в которых требуются мощные широкополосные источники, гиро-ЛОВ и гироЛБВ являются весьма привлекательными приборами, усовершенствованию которых в последние годы было посвящено довольно много исследований [9-17]. Однако, несмотря на некоторые успешные эксперименты, широкополосных гироприборов, использующихся для приложений до сих пор не было создано. Основными проблемами реализации волноводных разновидностей МЦР являются их сильная критичность к скоростному разбросу частиц вследствие доплеровского уширения линии циклотронного резонанса и низкая устойчивость по отношению к самовозбуждению колебаний на квазикритических частотах. В диссертации представлены исследования, развивающие и реализующие предложенную Г.Г. Денисовым [18] идею об использовании волноводов с винтовой гофрировкой поверхности для гиро-ЛБВ и гироЛОВ. Эта идея является, по-видимому, наиболее радикальным способом «дать новую жизнь» этим приборам и поставить их в один ряд с наиболее востребованными для приложений источниками электромагнитного излучения.

Другими, не менее динамично развивающимися в последнее время мощными СВЧ источниками, имеющими свой круг приложений [1-4,19], являются релятивистские генераторы и усилители [20-33]. Если для приборов гиротронного типа характерные значения ускоряющего напряжения составляют десятки киловольт, длительности импульсов - от десятков микросекунд до непрерывного режима, а выходной мощности – от десятков киловатт до единиц мегаватт, то микроволновые источники, в которых достигаются максимальные мощности, составляющие в настоящее время 109-1010 Вт, работают при мегавольтных напряжениях и длительностях импульсов от единиц до десятков наносекунд. Повышение пиковой мощности излучения традиционно является одной из центральных задач релятивистской высокочастотной электроники. Вместе с тем в связи с растущей популярностью таких источников для ряда исследовательских и прикладных задач весьма актуальной становится проблема обеспечения доступности, удобства и других характеристик, предъявляемых к таким установкам со стороны пользователей. С этой точки зрения экстенсивный путь повышения выходной мощности излучения за счет наращивания энергетики электронного пучка становится все менее популярным, и все большее количество исследований сфокусировано на методах повышения мощности, не связанных с увеличением энергии частиц [27,32,33]. При этом установки с напряжением 300-600 кВ в ряде случаев являются достаточно удобными для приложений, и задача повышения пиковой мощности СВЧ источников на основе таких умереннорелятивистских ускорителей до мультигигаваттного уровня представляется весьма актуальной.

Цели диссертационной работы:

1) развитие и реализация идеи об использовании волноводов с винтовой гофрировкой поверхности для существенного улучшения характеристик гиро-ЛБВ и гиро-ЛОВ и создание на этой основе приборов, перспективных для практического использования;

2) исследование нового подхода к созданию СВЧ источников мультигигаваттной пиковой мощности на основе умеренно-релятивистской ЛОВ с последующей компрессией импульса в волноводе с винтовой гофрировкой поверхности.

Научная новизна 1. Разработана методика расчета, оптимизации и измерения характеристик волноводов с винтовой гофрировкой поверхности, обеспечивающих необходимые свойства рабочей волны, как для широкополосных гироприборов, так и для компрессоров мощных частотномодулированных импульсов.

2. Нелинейная теория гиро-ЛБВ и гиро-ЛОВ обобщена на случай использования в качестве электродинамических систем волноводов с винтовой гофрировкой. Теоретически показана слабая критичность винтовых гиро-ЛБВ и гиро-ЛОВ к скоростному разбросу частиц и их высокая устойчивость к возбуждению паразитных типов колебаний по сравнению с аналогичными приборами на основе гладких волноводов.

3. Развиты и исследованы в экспериментах методы формирования приосевых винтовых электронных пучков, перспективные для реализации не только разрабатываемых гироприборов, но и других разновидностей МЦР, в частности, гиротронов на больших орбитах коротковолновой части миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн.

4. Впервые экспериментально подтверждены преимущества винтовых гиро-ЛБВ и гиро-ЛОВ над аналогичными приборами с гладкими волноводами. Создан первый прототип винтовой гиро-ЛБВ, перспективной для приложений. Впервые для гиро-ЛОВ теоретически и экспериментально показана возможность существенного повышения КПД за счет рекуперации оставшейся после взаимодействия энергии электронов. Создана первая винтовая гиро-ЛОВ, использующаяся в приложениях.

5. Предложен и исследован новый метод создания СВЧ источников с мультигигаваттной импульсной мощностью на основе пассивной компрессии частотно-модулированных импульсов, генерируемых ЛОВ с умеренно-релятивистским электронным пучком.

6. Теоретически и экспериментально продемонстрирована возможность генерации в релятивистской ЛОВ мощных СВЧ импульсов с частотной модуляцией, достаточной для последующей компрессии с увеличением пиковой мощности в 10-20 раз.

7. Теоретически и экспериментально продемонстрирована возможность компрессии частотномодулированных импульсов гигаваттного уровня мощности в сверхразмерных волноводах с винтовой гофрировкой.

Практическая значимость Разработанные методики расчета и измерения характеристик винтовых волноводов могут быть использованы для анализа широкого класса периодических волноведущих систем.

На основе исследований гиро-ЛБВ с винтовыми волноводами начаты работы по созданию мощных широкополосных усилителей для систем радиовидения миллиметрового диапазона длин волн и для установок по получению многозарядных ионов.

На основе исследований винтовых гиро-ЛОВ создан частотно-перестраиваемый генератор киловаттного уровня непрерывной мощности, использующийся в составе комплекса по спеканию и модификации свойств керамики (FIR Center Fukui University, Япония).

Разработанный метод повышения мощности релятивистских усилителей и генераторов за счет пассивной компрессии в винтовом волноводе представляется перспективным для создания сверхмощных короткоимпульсных СВЧ источников, привлекательных для исследований в области физики плазмы, твердого тела, биологии, а также ряда радиотехнических приложений (радиолокации, тестирования электронного оборудования и др.).

Личный вклад автора Идея об использовании волноводов с винтовой гофрировкой поверхности для гиро-ЛБВ была предложена Г.Г. Денисовым [18]. Им же были разработаны основные подходы к построению адекватной теоретической модели и сделаны первоначальные оценки параметров. В совместных работах [1*, 2*] получила дальнейшее развитие теоретическая модель, на основе чего автором были получены результаты нелинейного анализа электронно-волнового взаимодействия в винтовых гиро-ЛБВ и определены основные особенности конфигурации прибора. Дальнейшее развитие исследований в этом направлении, включая предложение и анализ преимуществ от использования аналогичной электродинамической системы для гироЛОВ, расчеты всех узлов винтовых гироприборов, разработка технических заданий на конструирование, проведение всех экспериментов было выполнено лично автором или под его руководством.

Идея об использовании волноводов с винтовой гофрировкой поверхности для компрессии частотно-модулированных импульсов была стимулирована исследованиями по винтовым гироприборам и возникла при участии автора. Дальнейшее развитие этой идеи, приведшее к предложению об использовании комбинации релятивистской ЛОВ и винтового волноводакомпрессора для получения импульсов мультигигаваттной мощности, было выполнено преимущественно автором. Непосредственно автором или под его руководством были проведены все расчеты и эксперименты по этому направлению исследований.

Апробация работы Основные материалы по теме диссертации опубликованы в работах [1*-56*] и докладывались на семинарах ИПФ РАН, ИРЭ РАН, ОИЯИ, в Штутгартском университете (Германия), Стратклайдском университете (Великобритания), Фукуйском университете (Япония), на российско-германских семинарах по гиротронам и нагреву плазмы, а также на международных конференциях, симпозиумах и рабочих встречах, включая 20, 22-27 и 29-Международные конференции по инфракрасным и миллиметровым волнам (Орландо, США, 1995; Винтергрин, США, 1997; Колчестер, Великобритания, 1998; Монтерей, США, 1999;

Пекин, КНР, 2000; Тулуза, Франция, 2001; Сан-Диего, США, 2002; Карлсруэ, Германия, 2004;

Вильямсбург, США, 2005), 1, 3-5 и 8 Международные конференции по вакуумной электронике (Монтерей, США, 2000; Монтерей, США, 2002; Сеул, Корея, 2003; Монтерей, США, 2004;

Китакьюшу, Япония, 2007), 4-6 Международные рабочие встречи "Мощные микроволны в плазме" (Нижний Новгород, 1999, 2002, 2005), 12, 15 и 16 Международные конференции по мощным пучкам заряженных частиц (Хайфа, Израиль, 1998; Санкт-Петербург, 2004; Оксфорд, Великобритания, 2006), 3 Международную конференцию по микроволновой технологии (Пекин, Китай, 2002) и Международный симпозиум по сильноточной электронике (Томск, 2000).

Структура диссертации Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка цитированной литературы (105 пунктов) и списка публикаций автора по теме диссертации (56 пунктов). Объем диссертации составляет 197 страниц, включая 94 рисунка.

Краткое содержание диссертации Два существенно разных объекта представленных исследований (разновидности МЦР и компрессор СВЧ импульсов) объединяются использованием в них аналогичных волноведущих структур – волноводов с винтовой гофрировкой поверхности, являющихся принципиальными элементами данных устройств.

Глава I посвящена исследованию электродинамических характеристик винтовых волноводов. Основное внимание уделяется ситуации, когда винтовая гофрировка в определенной области частот резонансно связывает две парциальные моды гладкого волновода, одна из которых (А) близка к отсечке, а другая (В) обладает большой групповой скоростью (рис.1). При определенном выборе параметров одна из образующихся нормальных мод (W) представляет собой волну, имеющую достаточно большую и почти постоянную групповую скорость в сравнительно широкой (10-20%) полосе частот, причем внутри этой полосы продольное волновое число одной из ее пространственных гармоник (W0) обращается в нуль. В этом случае данная пространственная гармоника используется в качестве взаимодействующей с электронным пучком в гиро-ЛБВ и гиро-ЛОВ, обеспечивая широкополосность и слабую критичность этих приборов к скоростному разбросу частиц. При сравнительно небольшом изменении амплитуды и периода винтовой гофрировки групповую скорость этой же нормаль- Рис.1. Отрезок волновода с винтовой гофрировкой, согласованный на концах с круглым волноводом, и дисперсионные диаграммы парциальных и нормальных мод в случае компрессора и гироприборов.

ной волны можно, в противоположность предыдущему случаю, сделать сильно зависящей от частоты. В этом случае волновод с винтовой гофрировкой перспективно использовать в качестве компрессора частотно-модулированных импульсов на очень высоком уровне мощности (рис.1).

В п. 1.1. обсуждаются качественные особенности таких волноводов, отличающие их от аналогичных электродинамических систем, применяемых в других приложениях. Наиболее принципиальные отличия состоят в том, что винтовой волновод в данном случае не является ни преобразователем мод круглого волновода [34], ни замедляющей системой, обеспечивающей величину фазовой скорости рабочей пространственной гармоники волны меньше скорости света [35], ни элементом резонатора [36, 37]. При использовании винтовых волноводов в гироприборах на бегущих волнах (гиро-ЛБВ и гиро-ЛОВ) принципиальным моментом является циклотронное вращение частиц, выделяющее одно из направлений вращения волн круглого волновода. Винтовая гофрировка при этом обеспечивает однозначную связь направлений вращения и продольного распространения потока энергии, определяющего знак групповой скорости рабочей волны. При использовании винтового волновода в качестве диспергирующей среды для компрессии импульсов, когда должна обеспечиваться сильная зависимость групповой скорости рабочей волны от частоты, винтовая гофрировка позволяет избежать образования частотных областей, где групповая скорость волны обращается в нуль или меняет знак, неизбежных для гладких волноводов или структур с осесимметричной гофрировкой.

В п. 1.2. проводится количественный анализ характеристик рабочих волн винтовых волноводов на основе теории возмущений. При этом, следуя одной из известных методик [34], используется теория связанных волн, коэффициенты связи которых находятся методом возмущений. Данный подход приводит к системе линейных уравнений для медленно меняющихся по продольной координате амплитуд парциальных мод. На основе решения уравнений связанных волн определена область параметров, в которой обеспечиваются необходимые для гироприборов или компрессоров свойства нормальной волны W (рис.1).

В п. 1.3. обсуждаются особенности и приводятся результаты численного анализа свойств рабочих волн винтовых волноводов на основе конечно-разностных методов решения уравнений Максвелла. Из универсальных программ, в принципе подходящих для решения рассматриваемых задач и предоставляемых как на коммерческой основе, так и созданных ближайшими коллегами автора [38-44], были выбраны наиболее точные и удобные коды, позволяющие проводить 3-мерное моделирование «холодных» винтовых структур.

Общие особенности 3-мерных расчетов, обсуждаемые в п.1.3.1., заключаются в том, что в рабочей области частот, расположенной ниже критической частоты парциальной моды А, рабочая нормальная волна винтового волновода W возбуждается в результате адиабатической трансформации бегущей парциальной волны B (вращающейся моды круглого волновода) на участке плавного нарастания амплитуды гофрировки (рис.1). При этом та же мода круглого волновода, имеющая противоположное направление вращения, распространяется в винтовой структуре практически без изменений. Этот эффект, вызывающий поворот плоскости поляризации линейно-поляризованной волны, использовался при моделировании в качестве теста для сравнения результатов различных программ и «холодных» измерений.

В п.1.3.2. рассматривается наиболее «прямой», но в то же время требующий наибольших затрат компьютерных ресурсов подход к расчету дисперсии волн винтового волновода, основанный на спектральном анализе пространственного распределения электромагнитного поля внутри структуры на фиксированной частоте. При этом отрезок волновода с регулярной гофрировкой выбирается достаточно длинным (несколько десятков длин волн), а зависимость электромагнитного поля от продольной координаты раскладывается в интеграл Фурье. Такое представление поля в виде пространственного спектра, позволяет определить продольные волновые числа нормальных волн.

В п.1.3.3. рассматривается более «экономичный» с точки зрения компьютерных ресурсов подход к расчету дисперсии, опирающийся на тот факт, что при использовании соответствующих сходов гофрировки можно последовательно трансформировать практически всю мощность сначала из падающей волны круглого волновода B в нормальную волну винтового волновода W, а затем обратно. В этом случае постоянная распространения нормальной волны определяется из результатов расчета набега фазы соответствующего сигнала, проходящего через винтовые структуры с различной длиной участка регулярной гофрировки.

При этом в расчетах используются сравнительно короткие структуры, а непрерывная частотная характеристика находится из временного отклика системы на короткий (широкополосный) импульс.

В п.1.3.4. анализируются результаты расчета характеристик нормальных волн винтового волновода в случае, когда объект моделирования представляет собой только один период структуры. Использованные программные модули позволяют находить решение краевой задачи с периодическими граничными условиями (соответствующими теореме Флоке) на торцах рассчитываемого объема и граничными условиями на винтовой боковой поверхности, соответствующими идеальному проводнику.

Результаты расчетов различными методами некоторых наиболее важных структур сравниваются между собой и в результате предлагается наиболее адекватная методика теоретического анализа свойств винтовых волноводов.

П. 1.4. посвящен анализу методов и результатов измерения характеристик винтовых волноводов. Наиболее простым измерением, дающим информацию о дисперсии рабочей волны, являлось измерение угла поворота плоскости поляризации волны, проходящей через достаточно длинную структуру. Аналогично эффекту Фарадея (см., напр., [45]), данный поворот возникает из-за разности постоянных распространения волн разного вращения. Такие измерения, проводимые с помощью скалярных панорамных анализаторов сигналов, использовались для сравнения с результатами соответствующих расчетов и контроля параметров изготовленных образцов. Представлена также методика и результаты фазовых измерений, выполненных с использованием векторного анализатора и позволяющих более точно определять продольные волновые числа интересующих волн винтовых волноводов. Кроме того, описывается, основанный только на амплитудных измерениях метод, эффективный в случае анализа достаточно сверхразмерных и протяженных винтовых структур, сопровождаемого использованием сложных преобразователей мод. Приводится сравнение результатов расчета и измерений.

В результате проведенного теоретического и экспериментального исследования электродинамических свойств волноводов с винтовой гофрировкой поверхности выработана методика расчета и измерения структур, позволяющая с необходимой точностью анализировать, а в ряде случаев и синтезировать характеристики волны, оптимальные для реализации широкополосных гироприборов (гиро-ЛБВ и гиро-ЛОВ) и компрессоров частотномодулированных импульсов. Для предварительного выбора параметров используются расчеты, основанные на теории возмущений первого порядка и методе связанных волн. Найденная конфигурация волновода анализируется затем путем 3-мерного компьютерного моделирования с использованием одной или нескольких универсальных программ. На этом этапе, параметры гофрировки, как правило, уточняются. Кроме того, решается проблема согласования винтовой структуры с гладким волноводом, а также рассчитываются характеристики, которые могут быть измерены в «холодном» эксперименте. Для проверки соответствия измеряемых характеристик расчетным значениям в ряде случаев изготавливается сравнительно короткая тестовая структура, содержащая сходы гофрировки и небольшой отрезок регулярно-гофрированного волновода. При выполнении работ, представленных в данной диссертации, было изготовлено и протестировано около 20 винтовых структур.

Глава II посвящена исследованиям гиро-ЛБВ и гиро-ЛОВ, в которых волноводы с винтовой гофрировкой поверхности используются в качестве электродинамических систем, где происходит рабочее электронно-волновое взаимодействие.

В п.2.1. рассматриваются основные проблемы, возникающие при реализации гиро-ЛБВ и гиро-ЛОВ. К этим проблемам в первую очередь относятся сильная критичность к скоростному разбросу частиц вследствие доплеровского уширения линии циклотронного резонанса и низкая устойчивость по отношению к самовозбуждению колебаний на квазикритических частотах. Обе проблемы в той или иной степени обусловлены гиперболическим законом дисперсии волн гладкого волновода (рис.2а). Действительно, наиболее широкие частотные полосы (перестройки частоты в гиро-ЛОВ и усиления в гиро-ЛБВ) обеспечиваются при работе на волнах, имеющих большие групповые скорости, а в гладких волноводах такие волны неизбежно обладают большими продольными волновыми числами, что в свою очередь определяет максимальную критичность соответствующих гироприборов к скоростному разбросу электронов и, как следствие, низкий КПД при реалистичных электронных пучках. За счет перехода к взаимодействию с квазикритическими волнами можно заметно снизить критичность гироприборов к разбросу. Однако при этом, наряду с неизбежным сужением рабочей полосы частот, резко возрастает опасность возбуждения гиротронных колебаний на частоте, близкой к критической, что вызывает необходимость снижения питч-фактора электронов или сокращения длины взаимодействия, ведущую опять же к уменьшению КПД и мощности излучения.

В п.2.2. приводится обзор предыдущих исследований гиро-ЛБВ и гиро-ЛОВ, в которых предпринимались попытки теми или иными способами преодолеть указанные проблемы [9-17].

Несмотря на достаточно большое количество экспериментов, широкополосных гироприборов, Рис.2. Дисперсионная диаграмма волн гиро-ЛБВ: а) с гладким волноводом; б) с идеальной электродинамической системой (Н – циклотронная частота, s - номер рабочей гармоники, v|| - продольная скорость электронов.

а) б) использующихся для приложений, до сих пор не было создано. В этой связи приведен весьма показательный пример современной разработки мощного широкополосного радара 3-мм диапазона длин волн для мониторинга верхних слоев атмосферы [46], когда среди альтернативных вариантов источников предпочтение было сделано в пользу системы четырех, работающих «параллельно», узкополосных гиротвистронов (модификация гироклистрона, в которой за счет использования на выходе отрезка волновода вместо резонатора удается несколько расширить полосу усиления). Гиро-ЛБВ, которая в принципе одна могла бы заменить по мощности и полосе частот этот комплекс гиротвистронов, в данном проекте используется лишь в качестве общего предварительного усилителя, к которому предъявляются сравнительно невысокие требования по КПД.

В п.2.3. описаны качественные особенности электронно-волнового взаимодействия в гироЛБВ и гиро-ЛОВ с винтовыми волноводами. С точки зрения обсужденных в п.2.2. проблем реализации гиро-ЛОВ и гиро-ЛБВ идеальной для таких генераторов и усилителей была бы рабочая волна, у которой при нулевом продольном волновом числе групповая скорость была бы постоянной и отрицательной (для гиро-ЛОВ) или положительной и равной продольной скорости частиц (для гиро-ЛБВ) (рис.2б). Как было показано в главе I, реализация такой дисперсии возможна для одной из пространственных гармоник нормальной волны винтового волновода.

Одной из наиболее селективных с точки зрения электронно-волнового взаимодействия является следующая конфигурация винтовых гироприборов: в качестве рабочей используется нормальная волна, образованная связыванием на трехзаходной гофрировке двух противоположно вращающихся магнитных мод цилиндрического волновода – квазикритической моды TE2,1 и бегущей волны TE1,1 (рис.3). Необходимая селективность обеспечивается за счет использования приосевого электронного пучка, частицы которого движутся по винтовым ларморовским траекториям вокруг общей оси, совпадающей с осью электродинамической системы. Такие пучки резонансно взаимодействуют только с попутно вращающимися модами круглого волновода, имеющими азимутальные индексы, совпадающие с номером циклотронной гармоники. В данном случае обеспечиваются условия резонансного взаимодействия пучка на второй циклотронной гармонике с компонентой TE2,1, представленной в поле рабочей нормальной волны W. Направление циклотронного вращения частиц определяет вращение этой парциальной моды, что в совокупности с направлением винта гофрировки определяет знак групповой скорости возбуждаемой нормальной волны. Соответственно, меняя направление винта гофрировки или циклотронного вращения электронов (сменой полярности Рис.3. Селективная конфигурация винтовых гироприборов (на нижних рисунках показано мгновенное распределение модуля электрического поля в различных поперечных сечениях) магнитного поля) можно переключать режим работы между гиро-ЛБВ и гиро-ЛОВ (рис.1).

Дополнительными преимуществами данной конфигурации является двукратное снижение рабочей величины магнитного поля по сравнению с основным циклотронным резонансом (в 8мм диапазоне длин волн необходимое магнитное поле 6-7 кЭ может создаваться несверхпроводящими соленоидами на постоянном токе или постоянными магнитами), а также вывод излучения в виде низшей моды круглого волновода.

Количественный теоретический анализ винтовых гиро-ЛБВ и гиро-ЛОВ и некоторые его результаты приводятся в п. 2.4., где известные уравнения, описывающие электронно-волновое взаимодействие в гиротронах [47], дополняются уравнениями связанных волн (п.2.4.1.), на основе линеаризации которых (п.2.4.2.), выводится дисперсионное уравнение (п.2.4.3.), определяющее дисперсию пяти «горячих» волн винтового волновода с электронным пучком.

На основе анализа решения дисперсионного уравнения показано, что наиболее привлекательные режимы усиления в гиро-ЛБВ реализуются в случае, когда связь волн на гофрировке существенно сильнее связи, возникающей из-за электронного пучка. При этом дисперсионное уравнение 5-го порядка сводится к уравнению 3-го порядка, которое по виду совпадает с уравнением обычной гиро-ЛБВ [48]. Особенность использования винтового волновода в данном случае выражается в специфической зависимости от частоты волнового числа «холодной» волны и параметра Пирса.

Если для описания рабочего режима взаимодействия возможно существенное упрощение модели, которое затем использовано и для нелинейных расчетов (п.2.4.5.), то анализ наиболее опасного в данном случае паразитного самовозбуждения был проведен на основе полной линеаризованной системы уравнений (п.2.4.4.) с соответствующими граничными условиями.

Как и ожидалось, при оптимальных для гиро-ЛБВ параметрах гофрировки паразитные колебания на квазикритической нормальной моде винтового волновода (V на рис.1) возникают при существенном превышении оптимального магнитного поля. При рабочей величине магнитного поля стартовый ток этих колебаний, как правило, на порядок и больше превышает рабочий ток гиро-ЛБВ. Для гиро-ЛОВ с винтовым волноводом самовозбуждение данных гиротронных колебаний при малом скоростном разбросе в пучке может ограничивать сверху рабочую полосу плавной перестройки частоты магнитным полем. Для реалистичных электронных пучков полоса перестройки, как правило, ограничивается снижением КПД из-за скоростного разброса.

В п.2.4.6. приводятся примеры расчета некоторых вариантов гиро-ЛБВ, перспективных для практической реализации. Результаты расчета сравниваются с результатами, полученными для аналогичных «гладких» гироусилителей. Для пучка с энергией частиц 80 кэВ и током 20 А полоса усиления винтовой гиро-ЛБВ в отсутствие скоростного разброса составляет около 18% при коэффициенте усиления 30 дБ и КПД 35%. При введении ненулевого скоростного разброса полоса усиления несколько сужается (до 13% при разбросе поперечных скоростей 40%), однако, как и ожидалось, значение КПД на частоте, для которой постоянная распространения рабочей моды близка к нулю, практически не уменьшается и даже при очень большом разбросе (40%) составляет 29%. Для аналогичной гиро-ЛБВ с гладким волноводом при увеличении разброса от нуля до 40% максимальный КПД падает с 35% до 25%. Негативное влияние разброса в данном случае заметнее отражается на ширине полосы усиления. Так, при нулевом скоростном разбросе полоса усиления винтовой гиро-ЛБВ в 1.8 раза шире, чем для обычной гиро-ЛБВ, а при большом разбросе (40%) это преимущество увеличивается до 3 раз.

Другое важное преимущество винтовой гиро-ЛБВ проявляется в устойчивости к паразитному гиротронному самовозбуждению. В данном примере расчета винтовая гиро-ЛБВ не возбуждается при рабочей величине магнитного поля, в то время как для обычной гиро-ЛБВ рабочий ток 20 А более чем в 5 раз выше стартового тока. Соответственно, для обеспечения устойчивой работы обычной гиро-ЛБВ без применения дополнительных поглотителей приходится жертвовать коэффициентом усиления и КПД, снижая либо величину тока, либо питч-фактор электронов, либо длину пространства взаимодействия.

Для электронного пучка с более высокой энергией частиц (300 кэВ) и током 80 А, когда рабочие частоты гиро-ЛБВ с гладким волноводом оказываются еще выше над критической частотой по сравнению со слаборелятивистским случаем, влияние скоростного разброса на КПД и полосу усиления оказывается еще более драматическим. Так, при увеличении разброса поперечных скоростей от нуля до 40% максимальный КПД гладкой гиро-ЛБВ падает с 35% до 12%, а полоса сужается с 23% до 10%. В то же время КПД винтовой гиро-ЛБВ даже при большом разбросе достигает величины 28%, а полоса усиления остается достаточно широкой - 19%. Так же, как и в слаборелятивистском случае, гладкая гиро-ЛБВ неустойчива по отношению к возбуждению на квазикритической частоте, в отличие от винтовой гиро-ЛБВ.

В п.2.4.7. обсуждаются общие особенности расчета винтовых гиро-ЛОВ. Для электронных пучков с реализуемыми параметрами (включая типичные значения скоростного разброса) возможность работы в области как отрицательных, так и положительных волновых чисел (включая нулевое значение) более чем в 2 раза расширяет полосу плавной перестройки частоты для винтовой гиро-ЛОВ по сравнению с обычной. При этом чем выше групповая скорость рабочей волны, тем шире полоса перестройки частоты.

В этом же разделе обсуждаются попытки использования для расчетов винтовых гироприборов универсальных 3-мерных PIC-кодов, таких как KARAT [38] и MAGIC [40]. В отличие от расчетов по этим программам гиро-ЛБВ, в которых возникало нефизическое самовозбуждение, обусловленное, по-видимому, возникновением сильной численной обратной связи, работа гиро-ЛОВ моделировалась достаточно адекватно, хотя и требовала больших затрат компьютерного времени. В связи с последним обстоятельством возможности оптимизации параметров винтовых гиро-ЛОВ с помощью таких расчетов были весьма ограничены, и в данной работе программы KARAT и MAGIC использовались только для сравнения с результатами расчетов по упрощенной модели и результатами экспериментов.

Такое сравнение, демонстрирующее удовлетворительное соответствие выходных параметров гиро-ЛОВ, полученных различными методами, представлено в разделах, посвященных экспериментальным исследованиям.

В п.2.5. для выбранной конфигурации винтовых гироприборов применительно к различным частотным диапазонам приводятся оценки максимальных значений выходных импульсной и средней мощностей, ограниченных электропрочностью и допустимыми тепловыми нагрузками на стенки винтовых структур. Показано, что при ограничении электрического поля на стенке величиной 100 кВ/см максимальная мощность, масштабируемая в данном случае как 2, составляет 300-600 кВт на длине волны =8 мм и, соответственно, 45-кВт на длине волны около 3 мм. Максимальная величина средней мощности, вычисленная из условия ограничения тепловой нагрузки на стенки величиной 1 кВт/см2, масштабируемая как 5/2, составляет 300600 кВт для длины волны 8 мм и 2550 кВт в 3-мм диапазоне длин волн.

Данные оценки показывают, что даже сравнительно низкомодовая конфигурация винтовых гироприборов способна обеспечить уровень выходной мощности, недоступный для традиционных черенковских широкополосных приборов миллиметрового диапазона длин волн.

В этом же разделе анализируются условия, которым должны удовлетворять параметры электронного пучка для рассматриваемых вариантов винтовых гироприборов. Наиболее серьезное требование к электронным пучкам по сравнению с традиционными гиротронами возникает из условия обеспечения селективности электронно-волнового взаимодействия. При смещении с оси ведущих центров частиц, обусловленном как неточной юстировкой, так и разбросом, появляется возможность паразитного возбуждения дополнительных колебаний.

Расчеты показывают, что для устойчивой работы винтовой гиро-ЛБВ радиальное положение ведущих центров r не должно превышать /15/20. В то же время для гиро-ЛОВ, где g оптимальная длина пространства взаимодействия в 2-3 раза короче, соответствующее требование мягче: r rH. В этом случае электронный поток может быть сформирован в электронно-оптической системе, аналогичной магнетронно-инжекторной пушке (МИП) [49]. В случае же использования электронных пучков с энергией частиц выше 40-50 кэВ для реализации винтовой гиро-ЛБВ с большим коэффициентом усиления (30-40 дБ) работу без самовозбуждения может обеспечить использование только приосевых пучков (с rg

Анализ соответствующих ЭОС приводится в п.2.6. В одном из возможных методов формирования приосевого винтового пучка вначале создается сплошной тонкий прямолинейный пучок, частицы которого приобретают затем вращательную скорость, пролетая через область комбинированного - продольного и поперечного – поля, создаваемого основным соленоидом и так называемым кикером, соответственно. Наиболее эффективным является кикер в виде набора катушек (рамок) с током, создающих вдоль продольной координаты однопериодное (с периодом, близким к ларморовскому шагу электронов) распределение поперечной компоненты поля. Такие ЭОС оказались удобными в экспериментах с использованием взрывоэмиссионных пучков при низкой частоте следования импульсов.

Для винтовых гироприборов, рассчитанных на высокий уровень средней мощности, наиболее адекватной ЭОС является пушка с термоэмиссионным инжектором и так называемым каспом магнитного поля в прикатодной области [50]. Пролетая через касп, где магнитное поле меняет свое направление, частицы трубчатого тонкостенного пучка приобретают начальную азимутальную скорость, которая затем увеличивается до рабочего значения по мере их движения в адиабатически нарастающем продольном поле основного соленоида. Анализ таких ЭОС, основанный на расчетах и результатах ряда экспериментов, показывает, что для гироприборов на второй циклотронной гармонике, работающих при относительно низких напряжениях (80-100 кВ) и плотности тока эмиссии не более 5 А/см2, максимальный ток пучка уменьшается примерно пропорционально укорочению рабочей длины волны и составляет около 220 А для приборов на длинах волн 110 мм, соответственно.

Таким образом теоретический анализ наиболее принципиальных аспектов, касающихся реализации гироприборов с винтовыми волноводами, показывает, что при использовании ускоряющих напряжений 80-100 кВ полосы усиления (для гиро-ЛБВ) или плавной перестройки частоты (для гиро-ЛОВ) достигают 10-15%, а предельные значения непрерывной выходной мощности составляют приблизительно 300, 50 и 3 кВт на длинах волн 8, 3 и 1 мм, соответственно.

П. 2.7. посвящен экспериментальным исследованиям винтовых гиро-ЛБВ. Основной задачей первых экспериментов являлась демонстрация работоспособности ключевого элемента – волновода с винтовой гофрировкой, обеспечивающего, согласно расчетам, высокий КПД при большом скоростном разбросе частиц, широкую полосу усиления и устойчивость гиро-ЛБВ к самовозбуждению. Наиболее удобными для этих целей оказались существующие установки со взрывоэмиссионными инжекторами электронов энергией 200-500 кэВ, на которых уже были реализованы электронно-оптические системы, формирующие необходимые приосевые пучки, и проводились эксперименты по исследованию других разновидностей МЦР.

В п.2.7.1. обсуждаются детали и приводятся результаты эксперимента по гиро-ЛБВ 8-мм диапазона длин волн, проведенного на ускорителе «СИНУС-6» (ИПФ РАН) при напряжении около 300 кВ и длительности импульса около 20 нс. Для формирования необходимого электронного пучка из полного тока квазипланарного диода с помощью диафрагмы диаметром 1.5 мм вырезалась небольшая часть, составлявшая 30-50 А. Получаемый таким образом тонкий сплошной пучок раскачивался до рабочей поперечной скорости в кикере. Согласно расчетам и диагностическим экспериментам, в рабочих режимах питч-фактор электронов (отношение поперечной и продольной скоростей) составлял приблизительно 1.2 при разбросе поперечных скоростей около 40%.

В этом эксперименте при параметрах, близких к расчетным, было получено устойчивое (без возбуждения паразитных мод) усиление гиро-ЛБВ на рабочей моде винтового волновода на частоте 36.5 ГГц. При ускоряющем напряжении 290 кВ, токе электронного пучка 36 А оптимальная величина магнитного поля составляла 9.3 кЭ, а длина пространства взаимодействия - около 15 см. При малом уровне входного сигнала (до 0.30.5 кВт) наблюдался линейный режим усиления, а при входной мощности 1.52 кВт гиро-ЛБВ выходила на насыщение с мощностью 2.8 МВт, что соответствовало коэффициенту усиления 31-33 дБ.

Достигнутые в эксперименте величины выходной мощности и электронного КПД (27%) хорошо совпадают со значениями, полученными в результате численных расчетов.

Первые измерения частотной полосы усиления винтовой гиро-ЛБВ, которые в первом эксперименте были ограничены использованием в качестве источника входного сигнала магнетрона на фиксированной частоте, были проведены в аналогичных экспериментах на другой установке (Стратклайдский университет, г. Глазго, Великобритания) в 3-см диапазоне длин волн (п.2.7.2.). За исключением частотного диапазона (9-10 ГГц) и соответствующего масштабирования всех элементов системы, основные детали данного эксперимента были аналогичны экспериментам на ускорителе «СИНУС-6». Использовавшаяся ЭОС со взрывоэмиссионным катодом, позволяла формировать прямолинейный электронный пучок диаметром 8 мм с энергией частиц до 200 кэВ, током 20-30 А и длительностью 120 нс. Раскачка пучка до заданной вращательной скорости осуществлялась с помощью кикера.

Перестраиваемый по частоте входной сигнал обеспечивался комбинацией твердотельного задающего генератора и обычной импульсной ЛБВ киловаттного уровня мощности. На частоте 9.4 ГГц коэффициент усиления винтовой гиро-ЛБВ в режиме насыщения составил 37 дБ, а выходная мощность - 1.1 МВт, что соответствовало электронному КПД 29%. В этом режиме мгновенная полоса усиления по уровню половинной мощности составила 2 ГГц, т.е. 21%. Не только максимальное значение электронного КПД, но и полоса усиления, хорошо согласуются с расчетами.

В п.2.7.3. обсуждаются детали и приводятся результаты экспериментов по слаборелятивистской гиро-ЛБВ с термоэмиссионным электронным пучком. Данные исследования направлены на создание прототипа усилителя, привлекательного, прежде всего для радиолокационных приложений. Эксперименты проведены в ИПФ РАН на специально созданном стенде, включающем в себя высоковольтный модулятор, формирующий квазипрямоугольные импульсы напряжением до 80 кВ, током до 20 А с длительностью до 12 мкс, импульсный (3 мс) соленоид с магнитным полем до 10 кЭ, а также системы генерации входного СВЧ сигнала и диагностики. Максимальная частота повторения импульсов в рабочих режимах составляла 1 Гц. Электронно-оптическая система на основе каспа при небольшой подстройке тока встречной катодной катушки обеспечивала формирование электронного пучка приемлемого качества в достаточно широком диапазоне параметров, что позволяло кроме экспериментов с гиро-ЛБВ проводить также исследования других приборов, в частности, гироЛОВ с широкополосной перестройкой частоты и гиротрона с большими орбитами на нескольких гармониках циклотронной частоты. Кроме ЭОС, по сравнению с предыдущими экспериментами были также усовершенствованы системы ввода и вывода СВЧ энергии из гироЛБВ.

В экспериментах с этой винтовой гиро-ЛБВ при ускоряющем напряжении в диапазоне 5080 кВ, токе пучка 4-8 А КПД электронно-волнового взаимодействия составлял 25-27%;

усиление в линейном режиме при входной мощности менее 0.1 кВт достигало 30-35 дБ и выходило на насыщение 23-25 дБ при входной мощности около 0.3-0.5 кВт; максимальная выходная мощность около 180 кВт была измерена на частоте 36.2 ГГц при напряжении 80 кВ и токе пучка 8.5-9 А; при этом же напряжении наблюдалась наиболее широкая мгновенная полоса усиления (рис.4). Измерения высокочастотного «края» полосы усиления были ограничены диапазоном перестройки источников входного сигнала. Максимальная мгновенная полоса гироЛБВ (по уровню -3 дБ) превышала величину 3.2 ГГц или 9%.

Рис.4. Экспериментальные зависимости выходной мощности гиро-ЛБВ от частоты при прочих фиксированных параметрах Результаты данных экспериментов находятся в хорошем соответствии с результатами численного моделирования, согласно которым мгновенная полоса усиления составляет 12%.

На базе этого прототипа, работающего в режиме сравнительно коротких импульсов с невысокой (не более 1 Гц) частотой повторения, разработана гиро-ЛБВ, рассчитанная на работу со средней выходной мощностью до 10 кВт, которая будет обеспечиваться в режиме периодического следования импульсов длительностью 100 мкс мощностью 100-120 кВт с частотой до 1 кГц (скважностью до 10). В настоящее время начаты эксперименты по реализации данного усилителя.

П.2.8. посвящен экспериментальным исследованиям гиро-ЛОВ с винтовыми волноводами.

В силу специфики использованного сочетания винтового волновода и приосевого электронного пучка, переключение режимов гиро-ЛБВ/гиро-ЛОВ осуществляется сменой направления магнитного поля. В данном случае узел СВЧ ввода гиро-ЛБВ может служить устройством вывода мощности из гиро-ЛОВ. При сравнительно больших мощностях, во избежание СВЧ пробоя в этом одномодовом узле, на катодном конце гиро-ЛОВ использовался закритический или резонансный отражатель, позволяющий выводить генерируемое излучение в сторону выходного окна большого диаметра. В ряде экспериментов оптимизировалась также длина взаимодействия. Результаты данных исследований на различных установках, описанных в пп.2.8.1-2.8.4., представлены в табл.1. Во всех случаях получено хорошее соответствие результатов измерений с результатами численного моделирования.

Таблица 1. Параметры винтовых гиро-ЛОВ напряжение ток длительность выходная КПД центральная перестройка перестройка (кВ) пучка импульса мощность (%) частота частоты частоты (А) (мкс) (кВт) (ГГц) магнитным напряжением полем (%) (%) 350 30 0.015 1100 10 35 15 не измерялась 185 2 1 62 17 8.8 17 50 5 12 17 7 35 10 20 2 непрерывный 6 15 24.7 5 0.режим В экспериментах с гиро-ЛОВ, направленных на создание непрерывного частотноперестраиваемого источника для технологических приложений [51] (п.2.8.4.), использовался «теплый» соленоид на постоянном токе с принудительным жидкостным охлаждением.

Наиболее приемлемым вариантом ЭОС в данном случае оказалась магнетронно-инжекторная пушка, формирующая неприосевой пучок. Из-за ограниченности длины пространства взаимодействия, определяемой энергопотреблением соленоида, а также для обеспечения необходимой селективности была заметно уменьшена групповая скорость рабочей волны, что привело к примерно 2-кратному сужению полосы перестройки частоты по сравнению с предыдущими импульсными гиро-ЛОВ. Другим новым элементом являлся узел, включавший в себя коллекторный изолятор, обеспечивавший возможность исследования режимов работы с частичной рекуперацией энергии электронного пучка. Аналогичная рекуперация, кроме традиционных ЛБВ и клистронов, активно используется в настоящее время в мощных гиротронах [52]. В эксперименте с винтовой гиро-ЛОВ увеличение тормозящего потенциала коллектора от нуля до 10 кВ сопровождалось некоторым падением выходной мощности (на 25%) при росте КПД прибора от 15% до 23% (в данных тестовых экспериментах рекуперированная энергия не возвращалась в источник, а выделялась в виде тепла на батарее резисторов, соединявших коллектор с заземленным проводником).

Успешные эксперименты позволили разработать и реализовать винтовую гиро-ЛОВ с непрерывной мощностью до 3.5 кВт на частоте 24.1 ГГц и полосой перестройки частоты около 4%, которая в настоящее время используется в технологическом комплексе по модификации свойств материалов (FIR Center Fukui University, Япония), включающем в себя также непрерывный гиротрон. В данном случае был использован наиболее простой вариант гиро-ЛОВ без рекуперации энергии электронного пучка и меньшим диаметром коллектора, что позволило уменьшить габариты основного соленоида и снизить потребляемую им мощность до 10 кВт.

Исследование свойств собственных волн волноводов с винтовой гофрировкой поверхности показало, что кроме использования в гироприборах аналогичные электродинамические структуры перспективно использовать и для другого направления микроволновой электроники, а именно, для создания СВЧ источников мультигигаваттной импульсной мощности. Работы в этом направлении, основанные на использовании винтовых волноводов в качестве диспергирующей среды для компрессии частотно-модулированных импульсов, представлены в главе III.

В начале главы приводится краткий обзор исследований в области релятивистских генераторов, обеспечивающих максимальные уровни импульсной мощности в сантиметровом и миллиметровом диапазонах длин волн [19-33]. Наиболее перспективными источниками в настоящее время представляются ЛОВ, работающие как в режиме стационарной генерации, так и в режимах сверхизлучения [27, 28, 32, 33]. Одно из до сих пор не «эксплуатировавшихся» свойств релятивистской ЛОВ, а именно, возможность перестройки частоты генерации в течение импульса за счет изменения ускоряющего напряжения, предлагается использовать для генерации и последующей компрессии импульсов, сопровождающейся многократным увеличением пиковой мощности. Особенности предполагаемого использования эффекта компрессии сравниваются как с «информационной» компрессией, широко использующейся в радиолокации, так и с аналогичными устройствами повышения мощности, популярными в ускорительных приложениях [53-60].

В п.3.1. на основании известных соотношений [53, 55] проводится анализ оптимальных условий для достижения максимального коэффициента повышения мощности за счет эффекта пассивной компрессии, проявляющегося при распространении частотно-модулированных импульсов в диспергирующих средах. В частности рассматриваются возможности компрессии в гладких металлических волноводах. Показано, что волноводы постоянного сечения даже на сравнительно низких модах в принципе могут быть использованы для создания источников сверхмощных СВЧ импульсов на основе компрессии. Однако необходимость работы на частотах, очень близких к отсечке (частота в начале свипированного импульса должна быть всего на 0.5-1% выше критической) и неуправляемость дисперсии существенно снижают привлекательность таких компрессоров.

В п.3.2. показано, что обе отмеченных проблемы гладких волноводов-компрессоров, могут быть решены в случае использования волновода с винтовой гофрировкой. При оптимальном выборе параметров волновода групповая скорость одной из его нормальных волн обладает сильной зависимостью от частоты, но не обращается в нуль, что решает проблему согласования компрессора с источником в широкой полосе частот. Кроме того, оптимальным входным сигналом в данном случае является импульс с уменьшающейся во времени частотой, что обеспечивает определенные дополнительные преимущества при использовании в качестве источника релятивистской ЛОВ. Согласно предварительным расчетам, в 3-сантиметровом диапазоне длин волн импульс длительностью в несколько десятков наносекунд с модуляцией по частоте, не превышающей 10%, может быть увеличен по мощности более чем в 10 раз за счет компрессии в винтовом волноводе длиной 2-3 метра. При этом доля СВЧ энергии в результирующем импульсе по сравнению с энергией входного импульса (т.е. КПД компрессора) может составлять 50-70%. В этом случае использование релятивистской ЛОВ с умеренной мощностью несколько сотен мегаватт позволит получать на выходе компрессора мультигигаваттные наносекундные импульсы.

П. 3.3. посвящен теоретическому и экспериментальному исследованию винтовых волноводов-компрессоров, обеспечивающих необходимые дисперсионные характеристики. На начальном этапе работы, направленном на подтверждение основных принципов, исследовались относительно низкомодовые структуры, аналогичные волноводам, уже протестированным к тому времени в экспериментах с гироприборами (п.3.3.1.).

В экспериментах на киловаттном уровне мощности при использовании в качестве источника входного импульса ЛБВ, запитываемую аналого-цифровым генератором, позволяющим формировать сигналы с оптимальной для компрессора зависимостью частоты от времени, был получен коэффициент компрессии по мощности 25, близкий к максимальной расчетной величине. При этом длительность частотно-модулированной части входного импульса, на которой частота менялась от 9.6 до 9.1 ГГц, составляла около 70 нс, а длина винтового волновода-компрессора была около 2 метров. Длительность скомпрессированного импульса составляла 1.5 нс. Таким образом, экспериментально подтверждена возможность эффективной компрессии импульсов с частотной модуляцией, реализуемой в релятивистской ЛОВ, а также продемонстрирована адекватность методов расчета, оптимизации и измерения характеристик винтовых волноводов-компрессоров.

Для обеспечения возможности использования компрессора на гигаваттном уровне мощности был разработан вариант более сверхразмерного винтового волновода, который, так же, как и предыдущий, обладал необходимыми дисперсионными свойствами, но отличался повышенной электропрочностью (п.3.3.2). Этот компрессор представляет собой волновод с 5заходной винтовой гофрировкой, связывающей квазикритическую ТЕ2,2 и бегущую ТЕ3,1 моды противоположного вращения (рис.5). За счет такого выбора мод диаметр волновода был увеличен почти в два раза, а величина допробойной входной мощности (в соответствии с принятой максимальной величиной поля на стенке 0.5 МВ/см), согласно расчетам, увеличилась со 130 МВт до 1.3 ГВт. Кроме того, почти в 5 раз по сравнению с низкомодовым вариантом уменьшились омические потери.

Для передачи мощности от релятивистской ЛОВ, излучающей моду ТМ0,1, в компрессор, рабочей волной на входе которого является вращающаяся мода ТЕ3,1, разработан преобразователь, который согласно расчетам обеспечивает коэффициент трансформации по мощности более 95% в полосе 9.5-10 ГГц и обладает достаточной электропрочностью.

«Холодные» эксперименты подтвердили высокую эффективность и достаточную широкополосность разработанного преобразователя.

а) Рис. 5. Расчетные характеристики винтового волновода с параметрами r0=31.5 мм, d=32.4 мм, l=2.7 мм, m = 5 : а) вид поверхности и распределение амплитуды электрического поля в поперечных сечениях на входе, в регулярной части и на выходе винтовой структуры; б) дисперсионная диаграмма парциальных мод и рабочей нормальной волны; в) зависимость групповой скорости и омических потерь рабочей волны от частоты.

Изготовленные сравнительно короткие секции (по 260 мм) сверхразмерного волноводакомпрессора были протестированы в экспериментах на малом уровне мощности, в которых удалось достаточно точно измерить дисперсию рабочей волны. Найденное в результате измерений значение групповой скорости меняется от 0.37с до 0.14с в интервале частот 9.510.1 ГГц, что находится в хорошем соответствии с расчетами (рис.5в).

П. 3.4. посвящен теоретическим и экспериментальным исследованиям возможностей реализации релятивистской ЛОВ, способной генерировать мощный частотно-модулированный импульс, оптимальный для последующей компрессии. Перестройка частоты генерации возможна при изменении продольной скорости электронов в ЛОВ. Хотя при релятивистских энергиях изменение скорости частиц менее выражено, тем не менее, при энергиях в несколько сотен кэВ сохраняется принципиальная возможность для перестройки частоты на 5-6%, необходимой для эффективной компрессии, за счет достаточно сильного изменения ускоряющего напряжения (например, с 600 до 300 кВ). Несмотря на многочисленные исследования ЛОВ [20-22,24,25,27,28], вопросу о быстрой перестройке частоты уделялось не так много внимания, поэтому данная проблема потребовала дополнительного детального изучения.

В п.3.4.1. обсуждаются особенности и результаты теоретического анализа релятивистской ЛОВ. Для предварительного исследования возможностей перестройки частоты использовалась известная одномерная линейная модель, позволяющая определить нормированные стартовые параметры ЛОВ с учетом ВЧ пространственного заряда [61]. Результаты расчетов в сочетании с известными соотношениями для статического «провисания» потенциала и теорией возмущения, позволяющей найти «холодные» характеристики рабочей волны, использовались для нахождения стартового тока и частоты генерации ЛОВ в зависимости от ускоряющего напряжения. В соответствии с целью исследований – реализация генератора со сравнительно умеренными параметрами (напряжением до 600 кВ, током до 4-5 кА, выходной мощностью несколько сотен мегаватт) – рассматривались довольно типичные для ЛОВ конфигурации с рабочей волной ТМ0,1. Более точный анализ и дальнейшая оптимизация ЛОВ проводилась на основе компьютерного моделирования с помощью 2- и 3-мерных версий PIC-кода KARAT.

В результате была найдена конфигурация ЛОВ (рис.6), обеспечивающая одновременно высокую выходную мощность, высокий КПД и достаточно широкую полосу перестройки частоты.

Рис. 6. Расчетная конфигурация релятивистской ЛОВ Для вывода излучения в сторону коллектора используется резонансный рефлектор, обеспечивающий транспортировку электронного пучка, близко «прижатого» к стенке замедляющей структуры, а также способствующий, как известно [28, 62], существенному повышению КПД. Расчеты с помощью программы KARAT показали, что при оптимальных геометрических параметрах, высокий КПД ЛОВ (около 30%) обеспечивается практически во всем рабочем интервале спада напряжения. Так, при напряжении 600 кВ и токе электронного пучка 4 кА выходная мощность ЛОВ составляет около 800 МВт, а при уменьшении напряжения до 300 кВ и тока до 2.5 кА в Рис. 7. Результаты расчета ЛОВ (рис.6) с помощью течение 60 нс мощность падает до значения PIC-кода «KARAT» при величине ведущего около 200 МВт. Частота генерации при этом магнитного поля 30 кЭ.

плавно уменьшается с 10 до 9.5 ГГц (рис.7).

Разработанная ЛОВ была протестирована в экспериментах, выполненных в ИПФ РАН на ускорителе «СИНУС-6» (п.3.4.2.). Данный ускоритель позволяет формировать электронный пучок с необходимыми величинами тока и энергии частиц, однако длительность участка спада напряжения вместо необходимых для эффективной компрессии 50-100 нс составляет всего около 5 нс. Тем не менее эксперименты на этом ускорителе позволили протестировать ЛОВ в режимах, близких к рабочим, и проверить адекватность используемых для расчета методов.

В результате экспериментов были получены выходная мощность и частота излучения, близкие к расчетным значениям, а также продемонстрирована соответствующая перестройка частоты генерации при изменении ускоряющего напряжения, как в течение импульса, так и от импульса к импульсу. Так, при напряжении на «полке» импульса около 600 кВ и токе пучка 45 кА, выходная мощность составляла 500-600 МВт, а частота генерации изменялась с 9.9 ГГц на вершине до 9.4 ГГц на конце импульса в течение приблизительно 5 нс.

П. 3.5. посвящен теоретическому анализу и экспериментальной демонстрации компрессии импульса разработанной релятивистской ЛОВ в сверхразмерном винтовом волноводе.

Поскольку возможности «подстройки» законов амплитудной и частотной модуляции выходного импульса ЛОВ весьма ограничены, то основная оптимизация, направленная на достижение максимального увеличения пиковой мощности на выходе компрессора, состояла в корректировке параметров гофрировки винтового волновода и выборе его длины.

Согласно расчетам (п.3.5.1.), для оптимального варианта компрессора длиной 3.2 м длительность скомпрессированного импульса по половинному уровню мощности составляет 1.6 нс, а его пиковая мощность достигает 13.7 ГВт, что в 17 и 27 раз выше максимальной и усредненной по импульсу выходной мощности ЛОВ соответственно (рис.8). При этом достигается также и высокая эффективность компрессии: доля энергии в «полезной» части выходного импульса (исключая боковые лепестки) составляет около 60% от энергии выходного импульса ЛОВ. Анализ критичности компрессии к вариациям, в частности, формы и амплитуды импульса ускоряющего напряжения ЛОВ показал возможность достижения Рис.8. Результаты моделирования компрессии импульса релятивистской пиковой мощности более 10 ГВт при вполне реализуеЛОВ, показанного на рис.7.

мых требованиях к высоковольтному источнику.

Согласно оценкам, аналогичный сверхмощный источник может быть создан и в более коротковолновом, в частности 8-мм, диапазоне длин волн. При реализуемых параметрах релятивистской ЛОВ (генерация излучения мощностью 200 МВт при напряжении 600 кВ с последующим снижением напряжения до 300 кВ, сопровождающимся плавным уменьшением частоты на 5% в течение 15-20 нс) и использовании соответствующим образом масштабированного волновода-компрессора можно получить импульс длительностью 0.4-0.5 нс с пиковой мощностью до 3 ГВт.

Хотя в экспериментах, проведенных на ускорителе «СИНУС-6» (п.3.4.2.) длительность частотно-модулированной части импульса ЛОВ 3-см диапазона составляла всего около 5 нс, этого оказалось достаточно для демонстрации эффекта компрессии с использованием изготовленных элементов сверхразмерного компрессора (п.3.3.2.). Детали и результаты такого тестового эксперимента обсуждаются в п.3.5.2.

В соответствии с короткой длительностью импульса оптимальная длина рабочей части винтового волновода также была сравнительно небольшой (0.52 м). Как и ожидалось, на заднем фронте импульса ЛОВ, прошедшего через компрессор, отчетливо наблюдалось сжатие сигнала, сопровождавшееся увеличением его мощности в 1.5-1.8 раза (рис.9). Проведенное компьютерное моделирование данного эксперимента (рис.9в), показало достаточно хорошее соответствие теоретических и экспериментальных результатов.

Полномасштабную демонстрацию возможностей предлагаемого источника предполагается провести на сильноточном ускорителе «КРОТ» (ИПФ РАН), где длительность частотномодулированной части импульса ЛОВ будет увеличена до 50-70 нс. Проведенные исследования Рис. 9. Демонстрация компрессии частотномодулированной части импульса релятивистдают основания полагать, что в данных ской ЛОВ: а) импульсы ускоряющего напряжения и тока пучка; измеренные (б) и экспериментах будут получены наносекундные теоретические (в) зависимости мощности от времени на входе и выходе компрессора.

импульсы с пиковой мощностью более 10 ГВт.

В Заключении сформулированы основные результаты работы и положения, выносимые на защиту.

Основные результаты диссертации 1. Разработана методика теоретического и экспериментального анализа и синтеза электродинамических характеристик волноводов с винтовой гофрировкой, позволяющая создавать структуры с необходимыми для использования в широкополосных гироприборах и СВЧ компрессорах свойствами.

2. Нелинейная теория гиро-ЛБВ и гиро-ЛОВ обобщена на случай электродинамических систем в виде волноводов с винтовой гофрировкой поверхности. Показано, что винтовые гироприборы существенно менее критичны к скоростному разбросу частиц и соответственно обладают более высоким КПД, чем аналогичные приборы с гладкими волноводами;

использование винтовых волноводов позволяет также значительно расширить мгновенную полосу усиления и диапазон плавной перестройки частоты генерации.

3. В экспериментах с винтовыми гиро-ЛБВ при использовании умеренно-релятивистских (200-300 кэВ) электронных пучков и взаимодействии на второй гармонике циклотронной частоты получены высокий электронный КПД (27-29%) и рекордная для этих приборов полоса частот (20%).

4. В экспериментах со слаборелятивистскими (до 80 кэВ) винтовыми гиро-ЛБВ 8-мм диапазона длин волн на второй циклотронной гармонике продемонстрированы электронный КПД до 27%, импульсная выходная мощность до 180 кВт при коэффициенте усиления 25-27 дБ и полосе частот около 10%.

5. В экспериментах с импульсными винтовыми гиро-ЛОВ сантиметрового и миллиметрового диапазонов длин волн получена полоса плавной перестройки частоты при изменении магнитного поля до 15% при максимальном КПД до 10-15%.

6. В экспериментах с непрерывными гиро-ЛОВ на частоте около 24.5 ГГц получена выходная мощность до 7 кВт при полосе плавной перестройки частоты 5-7% с КПД до 15%.

Продемонстрирована возможность повышения КПД до 23% и снижения вдвое напряжения основного высоковольтного источника за счет использования одноступенчатой рекуперации остаточной энергии частиц.

7. Теоретически и экспериментально показана возможность генерации в релятивистской ЛОВ мощных СВЧ импульсов с частотной модуляцией, достаточной для последующей компрессии с увеличением пиковой мощности в 10-20 раз. Продемонстрирована возможность компрессии частотно-модулированных импульсов гигаваттного уровня мощности в сверхразмерных волноводах с винтовой гофрировкой.

Положения, выносимые на защиту 1. Использование волноводов с винтовой гофрировкой поверхности и приосевых электронных пучков позволяет реализовать усилители миллиметрового диапазона длин волн на основе индуцированного циклотронного излучения, которые обеспечивают рекордную комбинацию таких основных параметров, как импульсная и средняя мощность, ширина полосы усиления и КПД.

2. Использование волноводов с винтовой гофрировкой поверхности позволяет реализовать плавно перестраиваемые по частоте и эффективные микроволновые генераторы, перспективные для приложений.

3. Метод, основанный на пассивной компрессии в винтовом волноводе частотномодулированного излучения, генерируемого релятивистской ЛОВ, может быть использован для создания короткоимпульсных микроволновых источников мультигигаваттной мощности.

Список цитируемой литературы 1. Application of High-Power Microwaves. Ed. by A.V. Gaponov-Grekhov and V.L. Granatstein. Norwood, MA: Artech House, 1994.

2. J. Benford and J. Swegle. High-Power Microwaves. Norwood, MA: Artech House, 1992.

3. Релятивистская высокочастотная электроника. Сборник статей под редакцией А.В. ГапоноваГрехова. Горький: ИПФ АН СССР, 1979.

4. Вакуумная СВЧ электроника. Сборник обзоров под ред. М.И. Петелина. Н.Новгород: ИПФ РАН, 2002.

5. А.В. Гапонов, М.И. Петелин, В.К. Юлпатов. Индуцированное излучение возбужденных классических осцилляторов и его использование в высокочастотной электронике. // Изв. вузов.

Радиофизика. 1967. Т.10. №.9-10. С.1414.

6. А.В. Гапонов. Возбуждение линии передачи непрямолинейным электронным пучком. // Изв. вузов.

Радиофизика. 1959. Т.2. № 3. С.443.

7. R.H. Pantell. Backward-wave oscillations in an unloaded waveguide. // Proc. IRE. 1959. V.47. P.1146.

8. J.L. Hirshfield, V.L. Granatstein. The electron cyclotron maser – a history survey. // IEEE Trans.

Microwave Theory Tech. 1977. V.MTT-25. P.522.

9. P.E. Ferguson, G. Valier, R.S. Symons. Gyrotron TWT operating characteristics. // IEEE Trans.

Microwave Theory Tech. 1981. V.29. P.794.

10. G.S. Park, J.J. Choi, S.Y. Park, S.M. Armstrong, A.K. Ganguly, R.H. Kyser, R.K. Parker // Gain broadening of two-stage tapered gyro-traveling-wave amplifier. Phys. Rev. Lett. 1995. V.74, No.12.

P.2399.

11. J.R. Sirigiri, M.A. Shapiro, R.J. Temkin. High power 140-GHz quasioptical gyrotron traveling-wave amplifier. // Phys. Rev. Lett. 2003. V.90, 258302.

12. K.R. Chu, H.Y. Chen, C.L. Hung, T.H. Chang, L.R. Barnett, S.H. Chen and T.T. Yang. Theory and experiment of ultrahigh gain gyrotron traveling wave amplifier. // IEEE Trans. Plasma Sci. 1999. V.27.

P.391.

13. M. Garven, J.P. Calame, B.G. Danly, K.T. Nguyen, D.E. Pershing, B. Levush, F.N. Wood. A gyrotrontravelling-wave tube amplifier experiment with a ceramic loaded interaction region // IEEE Trans. Plasma Sci. 2002. V.30. P.886.

14. D.E. Pershing, K.T. Nguyen, J.P. Calame, B.G. Danly, B. Levush, F.N. Wood, M. Garven. A TE11 Kaband Gyro-TWT amplifier with high-average power compatible distributed loss. // IEEE Trans. Plasma Sci. 2004. V.32. P.947.

15. S.Y. Park, R.H. Kyser, C.M. Armstrong, R.K. Parker, V.L. Granatstein. Experimental study of a Ka-band gyrotron backward-wave oscillator. // IEEE Trans. Plasma Sci. 1990. V.18. P.321.

16. C.S. Kou, S.G. Chen, L.R. Barnett, H.Y. Chen, K.R. Chu. Experimental study of an injection-locked gyrotron backward-wave oscillator. // Phys. Rev. Lett. 1993. V.70. P.924.

17. M.A. Basten, W.C. Guss, K.E. Kreisher, R.J. Temkin, M. Caplan. Experimental investigation of a 140GHz gyrotron backward-wave oscillator. // Int. J. IR and MM Waves. 1995, V.16. P.889.

18. G.G. Denisov, S.J. Cooke. New microwave system for gyro-TWT. // Digest 21st Int. Conf. Infrared and Millimeter Waves (Berlin, Germany, 1996, ed. by M. von Ortenberg and H.-U. Mueller). P.AT2.

19. В.И. Канавец. Тенденции развития релятивистской электроники больших мощностей. // В кн.

Мощные генераторы и усилители на релятивистских электронных потоках. М.: Изд-во МГУ. 1987.

С.5.

20. Н.Ф. Ковалев, М.И. Петелин, М.Д. Райзер, А.В. Сморгонский, А.Э. Цопп. Генерация мощных импульсов электромагнитного излучения потоком релятивистских электронов. // Письма в ЖЭТФ.

1973. Т.18, №4. С.232.

21. Y. Carmel, J. Ivers, R.E. Kribel, J. Nation. Intense Coherent Cherenkov Radiation Due to the Interaction of a Relativistic Electron Beam with a Slow-Wave Structure // Phys. Rev. Lett. 1974. V.33. P.1278.

22. Н.И. Зайцев, Н.Ф. Ковалев, Б.Д. Кольчугин, М.И. Фукс. Экспериментальное исследование релятивистского карсинотрона. // ЖТФ. 1982. Т.52, №8. С.1611.

23. С.П. Бугаев, В.И. Канавец, В.И. Кошелев, В.А. Черепенин. Релятивистские многоволновые СВЧгенераторы. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1991.

24. Н.М. Быков, В.П. Губанов, А.В. Гунин, Г.Г. Денисов, Ф.Я. Загулов, С.Д. Коровин, Ю.Д. Ларичев, И.М. Орлова, С.Д. Полевин, В.В. Ростов, А.В. Сморгонский, А.Ф. Якушев. Релятивистские импульсно-периодические СВЧ-генераторы сантиметрового диапазона длин волн. // В сб.

Релятивистская высокочастотная электроника, ИПФ АН СССР, Горький. Вып.5. 1988. С.193.

25. C. Chen, G. Liu, W. Huang, Z. Song, J. Fan, H. Wang. A repetitive X-band relativistic backward-wave oscillator. // IEEE Trans. Plasma Sci. 2002. V.30, No.3. P.1108.

26. E.A. Abubakirov, A.N. Denisenko, M.I. Fuks, N.G. Kolganov, N.F. Kovalev, E.I. Soluyanov, V.V.

Yastrebov. An X-band gigawatt amplifier // IEEE Trans. Plasma Sci. 2002. V.30. N.3. P.1041.

27. S.D. Korovin. Repetitively-Pulsed High-Power Microwave Sources. // Proc. 15th Int. Conf. on High-Power Particle Beams (St.-Petersburg, 2004. Ed. by G. Mesyats, V. Smirnov and V. Engelko). P.393.

28. A.V. Gunin, A.I. Klimov, S.D. Korovin, I.V. Pegel, S.D. Polevin, A.M. Roitman, V.V. Rostov, A.S.

Stepchenko. Relativistic X-band BWO with 3-GW output power // IEEE Trans. on Plasma Sci. 1998.

V.26, No.3. P.326.

29. А.В. Пономарев, П.С. Стрелков, А.Г. Шкварунец. Реализация релятивистского плазменнопучкового СВЧ-усилителя // Физика плазмы. 1998. Т.24. №1. С.53.

30. А.В. Пономарев, П.С. Стрелков. 50-мегаваттный широкополосный плазменный СВЧ-усилитель // Физика плазмы. 2004. Т.30. №1. С.66.

31. M.V. Kuzelev, O.T. Loza, A.A. Rukhadze, P.S. Strelkov, A.G. Shkvarunets. Plasma Relativistic Microwave Electronics. // Plasma Physics Reports. 2001. V.27. N 8. P.669.

32. A.A. Eltchaninov, S.D. Korovin, G.A. Mesyats, I.V. Pegel, V.V. Rostov, V.G. Shpak, M.I. Yalandin.

Review of Studies of Superradiative Microwave Generation in X-Band and Ka-Band Relativistic BWOs // IEEE Transactions on Plasma Science. 2004. V.32. N3. P.1093.

33. A.A. Eltchaninov, S.D. Korovin, V.V. Rostov, I.V. Pegel, G.A. Mesyats, S.N. Rukin, V.G. Shpak, M.I.

Yalandin, N.S. Ginzburg. Production of short microwave pulses with a peak power exceeding the driving electron beam power. // Laser and particle beams. 2003. V.21, P.187.

34. Н.Ф. Ковалев, И.М. Орлова, М.И. Петелин. Трансформация волн в многомодовом волноводе с гофрированными стенками. // Изв. вузов. Радиофизика. 1968. Т.11, №5. С.783.

35. Э.Б. Абубакиров, Н.Ф. Ковалев, Н.Г. Колганов, М.И. Фукс. Особенности работы релятивистских оротронов на модах шепчущей галереи. // Тез. докл. 7-го Всесоюзн. симп. по сильноточной электронике (Томск, 1988). ч.1. С.185-187.

36. А.Л. Гольденберг, Г.С. Нусинович, А.Б. Павельев. Дифракционная добротность резонатора с винтовым гофром. // Гиротроны. ИПФ РАН, Горький. 1980. С.91.

37. N.S. Ginzburg, A.M. Malkin, N.Yu. Peskov, A.S. Sergeev, A.K. Kaminsky, S.N. Sedykh, E.A.

Perelshtein, A.P. Sergeev, A.V. Elzhov. Improving selectivity of free electron maser with 1D Bragg resonator using coupling of propagating and trapped waves. // Physical Review Special Topics – Accelerators and beams. 2005. V.8. 040705.

38. V.P. Tarakanov. User’s Manual for Code KARAT. Springfield, VA: BRA, 1992.

39. С.А.Силаев. Моделирование трехмерных электромагнитных полей в частотной области ISFEL3D.

Руководство пользователя, версия 6.0. 1999.

40. L. Ludeking, D. Smithe, T. Gray. Computer code MAGIC. // Mission Research Corporation, Virginia.

2003.

41. HFSS. 3D Full-wave Electromagnetic Field Simulation. // Ansoft Corp. Pittsburgh. PA. www.ansoft.com.

42. CST Microwave Studio. // Computer Simulation Technology, Wellesley Hills. MA. www.cst.com.

43. Г.Г. Денисов, С.В. Кузиков, М.Л. Кулыгин, А.В. Чирков. Численное моделирование открытых волноводных преобразователей мод методом FDTD. // Препринт ИПФ РАН №684, Нижний Новгород. 2005.

44. В. Н. Корниенко, В.А. Черепенин. Численная трехмерная модель для исследования динамики электромагнитного поля в многоволновом черенковском генераторе. // Радиотехника и электроника. 2003. Т. 48, N 6. С. 758.

45. Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. Электродинамика сплошных сред. // М.: Физматлит. 2001.

46. M. Blank, P. Borchard, S. Cauffman, F. Felch. Broadband W-band Gyrotron Amplifier Development. // Digest of the 2006 Joint 31st Int. Conf. on Infrared and Millimeter Waves and 14th Int. Conf. on Terahertz Electronics (Shanghai, China, 2006, ed. by S.C. Shen, W.Lu, J.Zhang, W.B. Dou). P.198.

47. В.Л. Братман, M. A. Моисеев, М.И. Петелин, Р.Е. Эрм. К теории гиротронов с нефиксированной структурой ВЧ поля. // Изв. вузв. Радиофизика. 1973. Т.16. №4. С.622.

48. В.Л. Братман, Н.С. Гинзбург, Г.С. Нусинович, М.И. Петелин, В.К. Юлпатов. Циклотронные и синхротронные мазеры. // В сб. Релятивистская высокочастотная электроника. вып.1. Горький:

ИПФ АН СССР, 1979. С.157.

49. А.Л. Гольденберг, М.И. Петелин. Формирование винтовых электронных пучков в адиабатической пушке. // Изв. вузов. Радиофизика. 1973. Т.16. №1. С.141.

50. M.J. Rhee, W.W. Destler. Relativistic electron dynamics in a cusped magnetic field. // Phys. Fluids. 1974.

V.17. P.1574.

51. Yu. Bykov, A. Eremeev, M. Glyavin, V. Kholoptsev, A. Luchinin, I. Plotnikov, G. Denisov, A.

Bogdashev, G. Kalynova, V. Semenov, N. Zharova. 24-84 GHz Gyrotron Systems for Technological Microwave Applications. // IEEE Trans. on Plasma Science. 2004. V.32, No.1. P.67.

52. K. Sakamoto, M. Tsuneoka, A. Kasugai, T. Imai, T. Kariya, K. Hayashi, Y. Mitsunaka. Major improvement of gyrotron efficiency with beam energy recovery. // Phys.Rev. Lett., 1994. V.73. P.3532.

53. Я.Д. Ширман. Разрешение и сжатие сигналов. М.: Сов. Радио, 1974.

54. R.A. Bromley, B.E. Callan. Use of waveguide dispersive line in an f.m. pulse-compression system. // Proc.

IEE. 1967. V.114. P.1213.

55. С.А. Ахманов, В.А. Выслоух, А.С. Чиркин. Оптика фемтосекундных лазерных импульсов. М.:

Наука, 1988.

56. P.B. Wilson, Z.D. Farkas, R.D. Ruth. SLED II: A new method of RF pulse compression. // SLAC-PUB5330, 1990.

57. S.G. Tantawi, R.D. Ruth, A.E. Vlieks, M. Zolotorev. Active high-power RF pulse compression using optically switched resonant delay lines. // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. V.45. N8. P.1486.

58. M.I. Petelin. Microwave pulse compressors. // Proc. Int. Workshop “Strong Microwaves in Plasmas” (Nizhny Novgorod, Russia, 1996. Ed. by A.G. Litvak). P.903.

59. А.Л. Вихарев, А.М. Горбачев, О.А. Иванов, В.А. Исаев, С.В. Кузиков, А.Л. Колыско, М.И. Петелин.

Активный компрессор СВЧ-импульсов на осесимметричной моде круглого волновода. // Письма в ЖТФ. 1998. Т.24. №20. С.6.

60. А.Н. Манько, В.Н. Слинко, П.Ю. Чумерин, Ю.Г. Юшков. Установка с резонансной импульсной компрессией для получения мощных сверхвысокочастотных импульсов двухсантиметрового диапазона. // Приборы и техника эксперимента. 2004. №3. С.106.

61. Н.Ф. Ковалев, М.И. Петелин, М.Д. Райзер, А.В. Сморгонский. Приборы типа «О», основанные на индуцированных черенковском и переходном излучениях релятивистских электронов. // В сб.

Релятивистская высокочастотная электроника, 1979, ИПФ АН СССР, Горький, вып.1, С.76.

62. С.Д. Коровин, И.К. Куркан, В.В. Ростов, Е.М. Тотьменинов. Релятивистская ЛОВ с сосредоточенным резонансным рефлектором. // Изв. вузов. Радиофизика. 1999. Т.XLII. №12.

С.1189.

Список публикаций автора по теме диссертации 1*. G.G. Denisov, V.L. Bratman, A.D.R. Phelps, and S.V. Samsonov. Gyro-TWT with a Helical Operating Waveguide: New Possibilities to Enhance Efficiency and Frequency Bandwidth. // Digest of 22nd Int.

Conf. on Infrared and Millimeter Waves (Wintergreen, USA, 1997, Ed. by H.P. Freund), P.289.

2*. G.G. Denisov, V.L. Bratman, A.D.R. Phelps, S.V. Samsonov. Gyro-TWT with a Helical Operating Waveguide: New Possibilities to Enhance Efficiency and Frequency Bandwidth // IEEE Trans. on Plasma Science. 1998. V.26. N.3. P.508.

3*. G.G. Denisov, V.L. Bratman, A.W. Cross, W. He, A.D.R. Phelps, K. Ronald, S.V. Samsonov, C. Whyte.

Experimental results from a helical waveguide gyro-TWT. // Digest of 23nd Int. Conf. on Infrared and Millimeter Waves (Colchester, UK, 1998, Ed. by T.J. Parker, S.R.P. Smith). P.170.

4*. V.L. Bratman, A.W. Cross, G.G. Denisov, W. He, A.D.R. Phelps, K. Ronald, S.V. Samsonov, C. Whyte.

A gyro-TWT with a weak sensitivity to electron velocity spread. // Proc. of 12th Int. Conf. on High Power Particle Beams (Haifa, Israel, 1998, Ed. by M. Marcovits and J. Shiloh). P.857.

5*. G.G. Denisov, V.L. Bratman, A.W. Cross, W. He, A.D.R. Phelps, K. Ronald, S.V. Samsonov and C.G.

Whyte. Gyrotron traveling wave amplifier with a helical interaction waveguide. // Physical. Review Letters. 1998. V.81. N.25. P.5680.

6*. V.L. Bratman, A.W. Cross, G.G. Denisov, W. He, A.D.R. Phelps, K. Ronald, S.V. Samsonov, C.G. Whyte and A.R. Young. Frequency-Broadband Gyro-Travelling Wave Amplifier Operating with Eigenwaves of Helically Rippled Waveguides. // Digest of 24th Int. Conf. on Infrared and Millimeter Waves (Monterey, USA, 1999, Ed. by L.A. Lombardo). P.M-A4.

7*. V.L. Bratman, A.W. Cross, G.G. Denisov, W. He, A.D.R. Phelps, K. Ronald, S.V. Samsonov, C.G. Whyte and A.R. Young. Efficient wide-band gyro-TWT with a helically grooved waveguide. // Abstracts of Int.

Vacuum Electronics Conference (Monterey, USA, 2000). P.15.4.

8*. V.L. Bratman, A.W. Cross, G.G. Denisov, W. He, A.D.R. Phelps, K. Ronald, S.V. Samsonov, C.G. Whyte and A.R. Young. High-Gain Wide-Band Gyrotron Traveling Wave Amplifier with a Helically Corrugated Waveguide. // Physical Review Letters. 2000. V.84. N.12. P.2746.

9*. V.L. Bratman, A.W. Cross, G.G. Denisov, W. He, A.D.R. Phelps, K. Ronald, S.V. Samsonov, C.G. Whyte, A.R. Young. Efficient wide-band gyro-TWT with helically grooved waveguides. // Digest of 25th Int. Conf. on Infrared and Millimeter Waves (Beijing, China, 2000). P.175.

10*. W. He, A.W. Cross, A.D.R. Phelps, K. Ronald, C.G. Whyte, A.R. Young, V.L. Bratman, G.G. Denisov, S.V. Samsonov. Broad-band radiation amplification by a cyclotron resonant maser interaction // Abstracts of the 23rd Int. FEL Conf. (Darmstadt, Germany, 2001). P.123.

11*. V.L. Bratman, G.G. Denisov, G.I. Kalynova, V.N. Manuilov, M.M Ofitserov, S.V. Samsonov, A.B.

Volkov. Broadband Efficient Low-Relativistic Gyro-TWT with Helically Grooved Waveguide // Abstracts of 3rd IEEE Int. Vacuum Electronics Conf. (Monterey, USA, 2002). P.359.

12*. V.L. Bratman, G.G. Denisov, G.I. Kalynova, V.N. Manuilov, M.M. Ofitserov, S.V. Samsonov, A.B.

Volkov. New Experimental Results on the Gyro-TWT with a Helically Grooved Waveguide // Proc. of 3rd Int. Conf. on Microwave and Millimeter Wave Technology (Beijing, China, 2002, Ed. by Z. Feng, H.

Long). P.90.

13*. G. Burt, S.V. Samsonov, K. Ronald, G.G. Denisov, A.R. Young, V.L. Bratman, A.D.R. Phelps, A.W.

Cross, I.V. Konoplev, W. He, J. Thomson, C.G. Whyte. Dispersion of helically corrugated waveguides:

Analytical, numerical, and experimental study // Physical Review E. 2004. V.70. N.4. P.046402.

14*. V.L. Bratman, A.W. Cross, G.G. Denisov, A.D.R. Phelps, S.V. Samsonov. Microwave devices with helically corrugated waveguides. // in Quasi-Optical Control of Intense Microwave Transmission, Ed. by Jay L. Hirshfield and Michael I. Petelin. NATO Science Series, II. Mathematics, Physics and Chemistry.

V. 203, Springer 2005. P.105.

15*. V.L. Bratman, A.W. Cross, G.G. Denisov, W. He, A.D.R. Phelps, K. Ronald, S.V. Samsonov, C. Whyte.

Frequency-Broadband Gyrodevices Operating with Eigenwaves of Helically Rippled Waveguides. // Digest of 23rd Int. Conf. on Infrared and Millimeter Waves (Colchester, UK, 1998, Ed. by T.J. Parker and S.R.P. Smith). P.446.

16*. V.L. Bratman, G.G. Denisov, Yu.K. Kalynov, S.V. Samsonov, A.V. Savilov, A.W. Cross, W. He, A.D.R.

Phelps, K. Ronald, C.G. Whyte, A.R. Young. Novel types of cyclotron resonance devices. // Proc. of 4th Int. Workshop "Strong Microwaves in Plasmas" (Nizhny Novgorod, Russia, 2000, Ed. by A.G. Litvak).

P.683.

17*. S.V. Samsonov, V.L. Bratman, G.G. Denisov, N.G. Kolganov, V.N. Manuilov, M.M. Ofitserov, A.B. Volkov, A.W. Cross, W. He, A.D.R. Phelps, K. Ronald, C.G. Whyte, A.R. Young. Frequencybroadband gyro-devices operating with eigenwaves of helically grooved waveguides. // Proc. of 12th Symp. on High Current electronics (Tomsk, Russia, 2000, Ed. by G. Mesyats, B. Kovalchuk, and G.Remnev). P.403.

18*. V.L. Bratman, G.G. Denisov, V.N. Manuilov, S.V. Samsonov, A.B. Volkov. Development of helicalwaveguide gyro-devices based on low-energy electron beams. // Digest of 26th Int. Conf. on Infrared and Millimeter Waves (Toulouse, France, 2001, Ed. by O.Portugall and J.Leotin). P.5-105.

19*. V.L. Bratman, G.G. Denisov, G.I. Kalynova, V.N. Manuilov, M.M. Ofitserov, S.V. Samsonov, A.B.

Volkov. New Test Results on Broad-Band Gyro-TWT and Gyro-BWO with a Helically Grooved Operating Waveguides. // Digest of 27th Int. Conf. on Infrared and Millimeter Waves (San Diego, USA, 2002, Ed. by R. Temkin). P.197.

20*. V.L. Bratman, A.W. Cross, G.G. Denisov, M.Yu. Glyavin, W. He, A.G. Luchinin, V.K. Lygin, V.N.

Manuilov, A.D.R. Phelps, S.V. Samsonov, M. Thumm, A.B. Volkov. Broadband Gyro-TWTs and GyroBWOs with Helically Rippled Waveguides. // Proc. of 5th Int. Workshop “Strong Microwaves in Plasmas” (Nizhny Novgorod, Russia, 2002, Ed. by A.G. Litvak). P.46.

21*. В.Л. Братман, Г.Г. Денисов, Ю.К. Калынов, М.М. Офицеров, С.В. Самсонов, А.В. Савилов, А.Э. Федотов. Новые разновидности мазеров на циклотронном резонансе // в сборнике обзоров «Вакуумная СВЧ электроника» под ред. М.И. Петелина, Нижний Новгород: Институт прикладной физики РАН, 2002, С.109.

22*. G.G. Denisov, V.L. Bratman, M.Yu. Glyavin, V.K. Lygin, A.G. Luchinin, V.N. Manuilov, M.M.

Ofitserov, S.V. Samsonov, M. Thumm, A.B. Volkov. Recent Test Results on Broad-Band Gyro-TWT and Gyro-BWO with Helically Grooved Operating Waveguides. // Proc. of 4th IEEE Int. Vacuum Electronics Conf. IVEC2003 (Seoul, Korea, 2003). P.338.

23*. V.L. Bratman, G.G. Denisov, A.E. Fedotov, Yu.K. Kalynov, S.V. Samsonov and A.V. Savilov.

Gyrodevices with Axis-Encircling Electron Beams. // Proc. of 6th Workshop on High Energy Density and Power RF (Berkeley Springs, USA, 2003, Ed. by S.H. Gold and G.S. Nusinovich). P.339.

24*. V.L. Bratman, B.S. Dumesh, A.E. Fedotov, Yu.A. Grishin, Yu.K. Kalynov, V.N. Manuilov, F.S. Rusin, S.V. Samsonov. New sources of coherent submillimeter-wave radiation. // Digest of 29th Int. Conf. on Infrared and Millimeter Waves (Karlsruhe, Germany, 2004, Ed. by M. Thumm and W.Wiesbeck). P.193.

25*. G.G. Denisov, D.A. Lukovnikov, S.V. Samsonov. Resonant Reflectors for Free Electron Masers. // Int.

Journal of Infrared and Millimeter Waves. 1995. V.16. No.4. P.745.

26*. W. He, A.W. Cross, C.G. Whyte, A.R. Young, A.D.R. Phelps, K. Ronald, E.G. Rafferty, J. Thomson, C.W. Robertson, D.C. Speirs, S.V. Samsonov, V.L. Bratman, G.G. Denisov. Thermionic gyro-BWO experiment using a helical interaction waveguide // Digest of 29th Int. Conf. on Infrared and Millimeter Waves (Karlsruhe, Germany, 2004, Ed. by M. Thumm and W. Wiesbeck). P.233.

27*. W. He, A.W. Cross, C.G. Whyte, A.R. Young, A.D.R. Phelps, K. Ronald, E.G. Rafferty, J. Thomson, C.W. Robertson, D.C. Speirs, S.V. Samsonov, V.L. Bratman, G.G. Denisov. Gyro-BWO experiment using a helical interaction waveguide. // Proc. of 5th IEEE Int. Vacuum Electronics Conf. IVEC2004 (Monterey, USA, 2004). P.206.

28*. W. He, K. Ronald, A.R. Young, A.W. Cross, A.D.R. Phelps, C.G. Whyte, E.G. Rafferty, J. Thomson, C.W. Robertson, D.C. Speirs, S.V. Samsonov, V.L. Bratman, G.G. Denisov. Gyro-BWO experiments using a helical interaction waveguide. // IEEE Trans. on Electron Devices. 2005. V.52. N.5. P.839.

29*. W. He, C.G. Whyte, A.W. Cross, A.R. Young, A.D.R. Phelps, K. Ronald, E.G. Rafferty, J. Thomson, C.W. Robertson, S.V. Samsonov, V.L. Bratman and G.G. Denisov. Experiments and simulations of a gyro-BWO using a helical interaction waveguide. // Proc. of 6th Int. Workshop “Strong Microwaves in Plasmas” (Nizhny Novgorod, Russia, 2005, Ed. by A.G. Litvak), 2006, P.125.

30*. W. He, A.W. Cross, A.D.R. Phelps, K. Ronald, C.G. Whyte, S.V. Samsonov, V.L. Bratman, G.G.

Denisov. Theory and simulations of a gyrotron backward wave oscillator using a helical interaction waveguide. // Applied Physics Letters. 2006. V.89. P.091504.

31*. S.V. Samsonov, G.G. Denisov, V.L. Bratman, A.A. Bogdashov, M.Yu. Glyavin, A.G. Luchinin, V.K.

Lygin, M.K. Thumm. Frequency-Tunable CW Gyro-BWO with a Helically Rippled Operating Waveguide. // IEEE Trans. on Plasma Science. 2004. V.32. N.3. P.884.

32*. G.G. Denisov, S.V. Samsonov, V.L. Bratman, A.A. Bogdashov, M.Yu. Glyavin, A.G. Luchinin, V.K.

Lygin, M.K. Thumm. Frequency-Tunable CW Gyro-BWO with a Helically Rippled Operating Waveguide. // Digest of 29th Int. Conf. on Infrared and Millimeter Waves (Karlsruhe, Germany, 2004, Ed.

by M. Thumm and W.Wiesbeck). P.235.

33*. G.G. Denisov, Yu.V. Bykov, A.G. Eremeev, V.V. Holoptsev, M.Yu. Glyavin, A.G. Luchinin, G.I.

Kalynova, I.V. Plotnikov, S.V. Samsonov. Development of Gyrotron-Based Technological Systems at Gycom/IAP. // Digest of the Joint 30th Int. Conf. on Infrared and Millimeter Waves &13th Int. Conf. on Terahertz Electronics (Williamsburg, Virginia, USA, 2005, Ed. by G.R. Neil and B. Danly). P.28.

34*. S.V. Samsonov. A method to form a rectilinear electron beam with small pulsations for free electron masers. // Int. J. of Infrared and Millimeter Waves. 1995. V.16. N.4. P.753.

35*. V.L. Bratman, G.G. Denisov, B.D. Kol'chugin, S.V. Samsonov, A.B. Volkov. Experimental demonstration of high-efficiency cyclotron-autoresonance-maser operation. // Physical Review Letters. 1995. V.75. N.17.

P.3102.

36*. S.J. Cooke, A.W. Cross, W. He, A.D.R. Phelps, V.L. Bratman, S.V. Samsonov. Optimisation of electronoptical system for CARMs. // Digest of 20th Int. Conf. on Infrared and Millimeter Waves (Orlando, USA, 1995, Ed. by R.J. Temkin). P.435.

37*. V.L. Bratman, V.N. Manuilov, S.V. Samsonov. A method of forming a high-quality electron beam for free electron masers. // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. А. 1996. V.375. N.1-3. P.393.

38*. В.Л. Бpатман, В.Н. Мануилов, С.В. Самсонов. Фоpмиpование электpонного пучка с малыми циклотpонными пульсациями для мазеpов на свободных электpонах. // ЖТФ. 1996. Т.66. N.8.

С.190.

39*. V.L. Bratman, Yu.D. Grom, Yu.K. Kalynov, V.N. Manuilov, M.M. Ofitserov, S.V. Samsonov. Electron beam formation for relativistic CRMs // Proc. of 12th Int. Conf. on High Power Particle Beams (Haifa, Israel, 1998, Ed. by M. Marcovits and J. Shiloh). P.744.

40*. V.L. Bratman, Yu.K. Kalynov, V.N. Manuilov, S.V. Samsonov. Electron-Optical System for Submillimeter-Wavelength Large Orbit Gyrotron // Proc. of 15th Int. Conf. on High-Power Particle Beams (St. Petersburg, Russia, 2004, Ed. by G. Mesyats, V. Smirnov and V. Engelko). P.502.

41*. V.L. Bratman, Yu.K. Kalynov, V.N. Manuilov, S.V. Samsonov. Large-Orbit Gyrotron at submillimeter waves // Digest of Joint 30th Int. Conf. on Infrared and Millimeter Waves &13th Int. Conf. on Terahertz Electronics (Williamsburg, USA, 2005, Ed. by G.R. Neil and B. Danly). P.443.

42*. В.Л. Братман, Ю.К. Калынов, В.Н. Мануилов, С.В. Самсонов. Субмиллиметровый гиротрон с большой орбитой // Известия вузов. Радиофизика. 2005. Т.48. №.10-11. С.823.

43*. A.D.R. Phelps, S.V. Samsonov, G.C. Burt, G.G. Denisov, A.W. Cross, V.L. Bratman, W. He, K. Ronald, H. Yin. Compression of frequency modulated microwave pulses in waveguides. // Proc. of 4th IEEE Int.

Vacuum Electronics Conf. IVEC2003 (Seoul, Korea, 2003). P.54.

44*. A.D.R. Phelps, S.V. Samsonov, G.C. Burt, G.G. Denisov, A.W. Cross, V.L. Bratman, W. He, K. Ronald and H. Yin. High Power RF Generation by Compression of Frequency Modulated Pulses // Proc. of 6th Workshop on High Energy Density and Power RF (Berkeley Springs, USA, 2003, Ed. by S.H. Gold and G.S. Nusinovich). P.166.

45*. S.V. Samsonov, A.D.R. Phelps, V.L. Bratman, G. Burt, G.G. Denisov, A.W. Cross, K. Ronald, W. He, H.

Yin. Compression of frequency modulated pulses using helically corrugated waveguides and its potential for generating multi-gigawatt RF radiation. // Phys. Rev. Letters. 2004. V.92. P.18301.

46*. G. Burt, A.D.R. Phelps, A.W. Cross, K. Ronald, I.V. Konoplev, H. Yin, A.R. Young, S.V. Samsonov, V.L. Bratman, G.G. Denisov. Helically corrugated waveguides for passive pulse compression // Proc. of the 10th ITG Conference on Vacuum Electronics and Displays (Garmisch-Partenkirchen, Germany, 2004).

P.365.

47*. G. Burt, S.V. Samsonov, K. Ronald, V.L. Bratman, A.R Young, G.G. Denisov, A.D.R. Phelps, A.W.

Cross, I.V. Konoplev, W. He. Microwave pulse compression using helically corrugated waveguides and potential for generating ultra-high power RF radiation // Digest of 29th Int. Conf. on Infrared and Millimeter Waves. (Karlsruhe, Germany, 2004, Ed. by M. Thumm and W. Wiesbeck). P.477.

48*. G. Burt, S.V. Samsonov, A.D.R. Phelps, V.L. Bratman, K. Ronald, G.G. Denisov, W. He, A.R Young, A.W. Cross, I.V. Konoplev, H. Yin and C.G. Whyte. Microwave pulse compression using a helically corrugated waveguide // IEEE Trans. on Plasma Sci. 2005. V.33. N.2. P.661.

49*. A.W. Cross, P. MacInnes, S.V. Samsonov, A.D.R. Phelps, G. Burt, K. Ronald, V.L. Bratman, G.G.

Denisov, A.R. Young, C.G. Whyte, W. He, I.V. Konoplev and H. Yin. Compression of Frequency-Swept Microwave Pulses using a Helically Corrugated Waveguide // Digest of the Joint 30th Int. Conf. on Infrared and Millimeter Waves &13th Int. Conf. on Terahertz Electronics (Williamsburg, USA, 2005, Ed.

by G.R. Neil and B. Danly). P.431.

50*. S.V. Samsonov, V.L. Bratman, G.C. Burt, A.W. Cross, G.G. Denisov, A.D.R. Phelps, K. Ronald.

Generation and Compression of Frequency Modulated Pulses from a Relativistic BWO. // Proc. of 15th Int.

Conf. on High-Power Particle Beams BEAMS’2004 (St. Petersburg, Russia, 2004, Ed. by G. Mesyats, V.

Smirnov and V. Engelko). P.430.

51*. S.V. Samsonov, V.L. Bratman, G.G. Denisov, M.L. Kulygin, S.V. Mishakin, A.W. Cross, P. MacInnes, W. He, A.D.R. Phelps, G. Burt, K. Ronald, I.V. Konoplev, A.R. Young and C.G. Whyte. Helically corrugated waveguides for compression of pulses from a relativistic BWO. // Proc. of the 6th Int.

Workshop “Strong Microwaves in Plasmas” (Nizhny Novgorod, Russia, 2005, Ed. by A.G. Litvak). 2006.

P.191.

52*. S.V. Samsonov, V.L. Bratman, G.G. Denisov, N.G. Kolganov, S.Yu. Kornishin, A.Yu. Plyashkevich, A.W. Cross, P. MacInnes, W. He, A.D.R. Phelps, K. Ronald and C.G. Whyte. Compression of frequencymodulated pulses from a relativistic BWO up to multigigawatt powers // Proc. of 16th Int. Conf. on HighPower Particle Beams BEAMS’2006. (Oxford, UK, 2006) (в печати).

53*. Г.Г. Денисов, С.В. Самсонов, Д.И. Соболев. Двумерная реализация метода синтеза волноводных преобразователей. // Известия вузов. Радиофизика. 2006. Т.49. №12. С.1056.

54*. В.Л. Братман, Г.Г. Денисов, С.В. Самсонов, А.У. Кросс, К. Рональд, А.Д.Р. Фелпс. Метод достижения мультигигаваттной пиковой мощности путем компрессии импульсов СВЧ излучения релятивистской лампы обратной волны в винтовом волноводе. // Известия вузов. Радиофизика.

2007. Т.50. №1. С.40.

55*. В.Л. Братман, Г.Г. Денисов, С.В. Самсонов, А.У. Кросс, А.Д.Р. Фелпс, В. Хе. Высокоэффективные широкополосные гиро-ЛБВ и гиро-ЛОВ со спирально-гофрированными волноводами. // Известия вузов. Радиофизика. 2007. Т.50. №2. С.104.

56*. G.G. Denisov, V.L. Bratman, N.G. Kolganov, S.V. Samsonov, A.W. Cross, P. MacInnes, W. He, A.D.R.

Phelps, K. Ronald and C.G. Whyte. Compression of frequency-modulated pulses from a relativistic BWO up to multigigawatt powers // Proc. of 8th IEEE Int. Vacuum Electronics Conf. IVEC 2007 (Kitakyushu, Japan, 2007), P.227.







© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.