WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. 12 10;11;12 Электронно-оптическая система гиротрона с большой орбитой © В.Л. Братман, Ю.К. Калынов, В.Н. Мануилов, С.В. Самсонов Институт прикладной физики РАН, 603950 Нижний Новгород, Россия (Поcтупило в Редакцию 28 января 2005 г.) Разработана термоэмиссионная электронно-оптическая система, формирующая прямолинейный или винтовой электронный пучок с параметрами 250 keV/4 A/10 µs с высокой степенью компрессии. В прямолинейном пучке достигается компрессия 4400 и плотность тока 25 kA/cm2. При формировании винтового пучка электроны приобретают начальную вращательную скорость вокруг оси системы (приосевой пучок) в поперечном магнитном поле кикера. Затем их питч-фактор увеличивается до рабочего значения в адиабатически нарастающем магнитном поле. В предварительных экспериментах при использовании такого винтового пучка в гиротроне с большой орбитой получена генерация на 2-й циклотронной гармонике на частоте 223 GHz.

Введение времени в ГБО использовались три типа ЭОС, в каждой из которых сначала формировался прямолинейный элекОдной из актуальных задач электроники СВЧ являтронный пучок, а затем частицам сообщалась вращательется создание мощных и доступных источников когеная скорость. В первых экспериментах [18,19] накачка рентного излучения на субмиллиметровых волнах. Соотвращательной энергии происходила в высокочастотном ветствующие приборы открыли бы новые возможности электромагнитном поле, создаваемом в специальном в спектроскопии, физике твердого тела, технологии, резонаторе развертки (аналогичная ЭОС используется медицине и ряде других областей науки и техники.

в магниконах [20]). При этом в выходной резонатор Наряду с уже реализованными уникальными источпоступал модулированный пучок и прибор работал как никами — традиционными гиротронами с сильными усилитель. В генераторных схемах прямолинейный пумагнитными полями [1–5] и лазерами на свободных чок неадиабатически раскачивался поперечным магниэлектронах (ЛСЭ) [6,7] на субмиллиметровых волнах тостатическим полем. В ГБО сантиметрового диапазона представляются перспективными, а возможно, и значидлин волн [15] частицы прямолинейного трубчатого тельно более простыми так называемые гиротроны с пучка приобретали вращательную скорость, проходя большой орбитой (ГБО) [8–11], которые до сих пор через область, где ведущее магнитное поле резко меработали на сантиметровых и миллиметровых волнах.

няло свое направление (реверс, или касп, магнитного В отличие от традиционного гиротрона в ГБО в качеполя). В релятивистском ГБО коротковолновой части стве активной среды используется не поливинтовой, а миллиметрового диапазона длин волн, работавшем на 3моновинтовой электронный пучок, все частицы которого и 4-й циклотронных гармониках [10], прямолинейный в своем движении вдоль оси резонатора совершают пучок формировался в термоэмиссионной ЭОС, а перларморовское вращение вокруг нее. В силу симметрии воначальная поперечная скорость, сообщаемая частицам такой приосевой пучок способен возбудить в аксиалькикером, увеличивалась затем до требуемой величины но-симметричной электродинамической системе лишь в адиабатическом нарастающем магнитном поле. В данмоды с азимутальным индексом, совпадающим с номеной работе обсуждается модификация ЭОС последнего ром резонансной циклотронной гармоники [12–17]. Это типа, разработанная для генератора субмиллиметрового правило отбора значительно прорежает спектр мод и диапазона длин волн, и приведены результаты первых тем самым упрощает селективное возбуждение высоких экспериментов.

циклотронных гармоник по сравнению со случаем традиционного гиротрона. Работа на высоких гармониках Особенности модифицированной позволяет значительно уменьшить величину рабочего магнитного поля. электронно-оптической системы Необходимые для работы ГБО приосевые электронСогласно теории [17], селективная работа ГБО на ные пучки принципиально не могут быть получены сравнительно высоких циклотронных гармониках с нов аксиально-симметричных магнетронно-инжекторных мерами s = 3-5 возможна при энергии частиц больпушках, использующихся в большинстве традиционных гиротронов. Поэтому при реализации ГБО центр тя- ше 30 keV и при условии, что разброс ведущих центров жести проблемы перемещается на создание электрон- электронов R0 и смещение пучка от оси не превышают 0.2, где — длина излучаемой волны. При этом но-оптических систем (ЭОС), способных формировать для достижения достаточно высокого электронного КПД приосевые пучки с достаточно большими значениями тока и вращательной скорости частиц при малом раз- средний питч-фактор электронов g = v/v должен бросе их скоростей и ведущих центров. К настоящему быть не меньше величины 1.0-1.2 при допустимом разЭлектронно-оптическая система гиротрона с большой орбитой бросе поперечных скоростей 20-30%. Здесь v и v — вращательная и поступательная компоненты скорости частицы. При энергии электронов 30-300 keV поперечное сечение пучка в рабочем пространстве ГБО представляет собой кольцо со средним радиусом (0.1-0.5) и шириной (0.2-0.25). При работе на гармониках s = 3-5 и разумной длине резонатора ГБО необходим пучок с током порядка нескольких ампер. Соответственно в субмиллиметровом диапазоне такой пучок имеет очень высокую плотность порядка 3-10 kA/cm2. При использовании термокатодов с типичной плотностью тока эмиссии jk < 5A/cm2 это означает необходимость сильной компрессии электронного пучка.

В данной работе исследуется ЭОС релятивистского ГБО с рабочей частотой 375 GHz [21], разработанного на базе существующей высоковольтной установки. Ранее на этой установке уже был получен плотный винтовой пучок с энергией частиц 250 keV, током до 10 A, питч-фактором 1.2 и длительностью 10 µs [10]. При использовании этого пучка была получена селективная генерация на модах TE3,2 на 3-й и TE4,2 на 4-й циклотронных гармониках с частотами 115 и 130 GHz соответственно при выходной мощности излучения до 100 kW и КПД до 4%. В ЭОС этого генератора использовалась двухстуРис. 1. Модифицированная электронно-оптическая система:

пенчатая схема формирования винтового электронного a — общая конфигурация, b — схема кикера.

пучка (ВЭП). Сначала в диодной квазипирсовской пушке со сферическим термокатодом формировался пучок с прямолинейными траекториями частиц (рис. 1,a), а затем электроны приобретали вращательную скорость паразитных мод. Поэтому в проекте субмиллиметрового в поперечном магнитном поле кикера, образованного ГБО в качестве рабочей выбрана третья циклотронная двумя парами прямоугольных рамок, расположенных гармоника, а в качестве рабочих мод — моды TE3,p вдоль движения пучка на расстоянии около половины с высоким радиальным индексом p = 5-8. При этом ларморовского шага по обе стороны от пучка (рис. 1,b). для достижения частоты 375 GHz при той же энергии Импульсный ток в рамках кикера длительностью око- частиц 250 keV, что и ранее, необходимо увеличить магло 1 ms создавался при разряде через них конденсатора, нитное поле в рабочем пространстве ГБО до B0 = 6.6T, зарядное напряжение на котором Ukick определяло ра- т. е. почти в четыре раза по сравнению с ранее реализобочую поперечную скорость электронов. После кикера ванной системой.

частицы попадали в адиабатически нарастающее маг- Расчеты показывают, что при питч-факторе электронитное поле, где их вращательная скорость увеличива- нов g = 1 для эффективной работы генератора на укалась до требуемой величины. При этом полное сжатие занных модах достаточен ток пучка 3 A. Для получения пучка (компрессия) по площади достигало 1100 раз, а такого тока в приосевом пучке с допустимым разбросом плотность прямолинейного пучка превышала 3 kA/cm2. ведущих центров при плотности эмиссии 4 A/cm2 требуУспешное формирование такого плотного пучка позво- ется компрессия около 4000. При этом, как и в ранее релило рассчитывать на то, что при определенной модифи- ализованном варианте, магнитное поле на катоде имеет кации подобная система может быть использована и на очень малую величину порядка 1.5 mT. Соответственно более коротких волнах. ларморовский шаг электронов в прикатодной области При переходе к значительно более высокой частоте составляет десятки сантиметров, а циклотронная чадля уменьшения омических потерь в стенках резонатора стота электронов меньше плазменной частоты пучка.

ГБО приходится увеличивать радиальный индекс рабо- В таких условиях движение частиц на участке начей моды настолько, насколько это допустимо с точки растания магнитного поля является неадиабатическим, зрения селекции мод. При использовании традиционного что требует детального численного расчета с учетом гиротронного резонатора и работе на 3-й циклотронной сил пространственного заряда. Для анализа пучка в гармонике радиальный индекс может быть увеличин с 2 прикатодной области использовалась программа EPOS, до 5-8. В то же время на четвертой гармонике уже мода позволяющая адекватно рассчитывать траектории частиц с радиальным индексом 3 имеет значительно больший при заданной конфигурации осесимметричной ЭОС с стартовый ток и омические потери, а с увеличением учетом статических электрического и магнитного полей радиального индекса возникает опасность возбуждения пространственного заряда. Более подробно особенности Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. 78 В.Л. Братман, Ю.К. Калынов, В.Н. Мануилов, С.В. Самсонов данной программы рассмотрены в работе [22]. Сростом эмиттера катода и таким образом сохранить величину магнитного поля вдоль продольной координаты отно- скоростного разброса близкой к величине, полученной шение квадрата плазменной частоты к циклотронной, а ранее в [10].

также ларморовский шаг уменьшаются обратно пропорКроме паразитной поперечной скорости на разброс ционально полю (с учетом соответствующей компрессии скоростей, возникающих при их раскачке в кикере, пучка). Начиная со значения поля Ba, при котором влияет и разброс радиусов ведущих центров частиц циклотронная частота сравнивается с плазменной, а (позиционный разброс), равный для съюстированного ларморовский шаг становится в несколько раз меньше приосевого пучка его радиусу. При наличии регулярных характерного масштаба изменения ведущего поля, двирадиальных пульсаций в ламинарном пучке кикера цежение частиц можно рассчитывать по адиабатической лесообразно располагать таким образом, чтобы точка теории (кроме области кикера).

минимума поперечного поля на оси системы (центр На выходе из прикатодной области неидеальность кикера) совмещалась с точкой минимального радиуса пучка можно характеризовать величиной его радиальпучка. Для этого при фиксированном положении кикера ных пульсаций или максимальной поперечной скорооптимальная фаза пульсаций подбиралась небольшим стью va, которой обладают периферийные электроны.

варьированием величины ведущего магнитного поля в В рассматриваемой ЭОС кикер находится вне прикатодприкатодной области.

ной области Bk > Ba, где Bk — ведущее поле в месте В соответствии с изложенным в модифицированной нахождения кикера. Для оценки относительного разброконструкции магнитная система, формирующая поле в са поперечных скоростей частиц после их раскачки в прикатодной области, конфигурация электродов пушки, кикере можно воспользоваться простой оценкой [23] а также кикер и его расположение оставлены такими же, как и в ранее реализованной ЭОС. Диаметр эмитv = 2vp/vk, (1) тера уменьшен вдвое (до 10 mm), изменены параметры соленоида, формирующего рабочее магнитное поле в где vp — максимальная паразитная поперечная скообласти резонатора, и введен дополнительный соленоид, рость электронов перед кикером; vk — поперечная согласующий магнитное поле в области пушки и кикера скорость, сообщаемая кикером электрону, движущемуся с увеличенным в четыре раза рабочим магнитным полем вдоль оси.

(рис. 1,a). При плотности эмиссии 4 A/cm2 расчетный Согласно адиабатической теории, такой же относиток пучка составляет 3 A, а пушка должна работать тельный разброс имеет место и в рабочем пространв режиме температурного ограничения эмиссии. Для стве ГБО. Учитывая, что паразитная поперечная скополучения оптимальной фазы электронных паразитных рость в области кикера определяется соотношением пульсаций не входе в кикер (область B < Ba) магнитное поле в прикатодной области было увеличено при vp = va(Bk/Ba)1/2, (2) сохранении его величины на катоде около 1.5 mT. В этом а рабочая поперечная скорость v0 равна случае, согласно траекторному анализу (рис. 2,a), максимальная скорость паразитных осцилляций составляет v0 = vk(B0/Bk)1/2, (3) va = 0.033c, а пучок в кикере имеет минимальное сечение, что снижает влияние позиционного разброса.

можно выразить относительный разброс через рабочие параметры и параметры на выходе из прикатодной области 2va Bv =. (4) v0 Ba Из выражения (4) следует, что в случае сохранения параметров va и Ba в прикатодной области при увеличении рабочего поля в 4 раза разброс поперечных скоростей возрастает вдвое. При этом место расположения кикера на участке нарастания магнитного поля после прикатодной области не влияет на скоростной разброс. Для уменьшения необходимого поля кикера и увеличения размеров рамок целесообразно располагать кикер в области возможно меньшего ведущего поля.

В ранее реализованной системе кикер помещался в область, близкую к границе прикатодной области, где B0 = 0.4 T, а максимальная поперечная скорость частиц Рис. 2. Распределение магнитного поля в прикатодной обласоставляет va = 0.06c. Уменьшение тока пучка в новой сти и расчетные траектории частиц при токе пучка 3 A (a), при ЭОС до 3 A позволяет в два раза уменьшить диаметр исчезающе малом токе (b).

Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. Электронно-оптическая система гиротрона с большой орбитой В области кикера влияние собственного поля пучка существенно слабее, чем в прикатодной области (соотношение квадратов плазменной и циклотронной частот составляет 0.3), поэтому расчет движения частиц в кикере и далее в канале транспортировки пучка вплоть до однородного участка магнитного поля осуществлялся без учета сил пространственного заряда. Это приближение существенно упрощает анализ и позволяет использовать модель, основанную на численном интегрировании уравнений движения электронов а заданном трехмерном магнитном поле. При этом в качестве начальных условий для трехмерного расчета использовались результаты, полученные при двумерном траекторном анализе ЭОС с детальным учетом пространственного заряда.

Согласно расчету, с увеличением тока в рамках кикера и при соответствующем росте питч-фактора электронов абсолютный разброс поперечных скоростей Рис. 4. Расчетная функция распределения частиц по поперечпримерно сохраняется, а относительный разброс уменьным скоростям при напряжении на рамках кикера Ukick = 100 V.

шается (рис. 3). Конечная величина абсолютного разброса поперечных скоростей, определяемая прикатодной областью формирования пучка, не позволяет увелихорошем соответствии с приведенной выше оценкой (4).

Pages:     || 2 |



© 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.