WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. 5 01;09;10;12 Виркатор с предмодуляцией электронного пучка на основе сильноточного импульсно-периодического ускорителя © С.А. Кицанов, А.И. Климов, С.Д. Коровин, И.К. Куркан, И.В. Пегель, С.Д. Полевин Институт сильточной электроники СО РАН, 634055 Томск, Россия e-mail: pegel@lfe.hcei.tsc.ru (Поступило в Редакцию 23 мая 2001 г. В окончательной редакции 28 сентября 2001 г.) Проведены теоретические, численные и экспериментальные исследования виркатора с предмодуляцией электронного пучка дециметрового диапазона длин волн. Дан анализ возможных механизмов возбуждения генерации в системах с виртуальным катодом (модуляция проходящего тока, эффект отражательного клистрона, инерционная группировка отраженных частиц). Показано, что при использовании в виркаторе двухзазорной электродинамической системы эффективность генерации может быть значительно выше, чем для однозазорной системы. На основе результатов численного эксперимента разработан экспериментальный макет двухсекционного виркатора без внешнего магнитного поля. В экспериментах с использованием сильноточного импульсно-периодического электронного ускорителя в дециметровом диапазоне длин волн была получена одномодовая генерация с мощностью до 1 GW и длительностью 25 ns при эффективности генерации 5%. Продемонстрирована стабильность частоты генерации в течение импульса и от импульса к импульсу, что доказывает определяющее влияние электродинамической системы. За счет варьирования параметров резонатора удалось реализовать непрерывную перестройку частоты генерации виркатора в полосе 15% на половинном уровне мощности.

Введение двухпотоковое состояние электронного пучка с образованием ВК [9]. Величина прошедшего тока jout и местоположение ВК z определяются соотношениями Виркаторы [1–6] привлекают к себе внимание прежде 0 всего как источники мощного микроволнового излу1 1 2 + =, чения, способные работать без внешнего магнитного j1/2 (2 jin - jout)1/2 j1/cr out поля. С другой стороны, ввиду того, что длина области взаимодействия потока частиц и высокочастотного (ВЧ) z /L = 1 - ( jcr1/4 jout)1/2, поля в виркаторах сравнима с длиной волны излучения, где jcr1 jcr2/2 — первый критический ток.

эти приборы оказываются относительно компактными, Вероятность того, что частица пересечет зазор, что является немаловажным при генерации излучения Wtr = jout/ jin. Величина Wtr зависит от превышения в длинноволновой части СВЧ диапазона. К недостаткам инжектируемого тока над критическим. Если jin jcr2, виркаторов можно отнести полученную в большинстве то Wtr 1/4, z L/3.

экспериментов низкую эффективность ( 1%) и нестаПусть для простоты плоский зазор является элеменбильность частоты излучения. В проведенных эксперитом одномодового резонатора с добротностью Q 1, ментах это чаще всего обусловлено большим значением так что распределение ВЧ поля в нем является фикинжектируемого тока и использованием сверхразмерных сированным. Будем считать, что амплитуда поля мала.

электродинамических систем с большой плотностью Изменение полной энергии частиц за время пролета электромагнитных колебаний. В данной работе представчерез зазор eEL in. Кроме того, будем предполагать, лены результаты исследования виркатора, основанного что движение частиц является одномерным, а частицы, на формировании вирутального катода (ВК) в двухсекотраженные от ВК, не возвращаются в область взаимоционном одномодовом резонаторе, при инжекции элекдействия с ВЧ полем.

тронного пучка с небольшим уровнем надкритичности Наличие ВЧ поля приводит к тому, что полная тока [7,8].

энергия частиц в зазоре становится функцией времени.

Очевидно, что модуляция частиц по энергии приводит к модуляции прошедшего тока, тока отраженных электроМеханизмы генерации излучения нов, а также положения самого ВК. Работа поля с частотой над потоком частиц может быть представлена в В качестве модели виркатора рассмотрим плоский виде jinSb зазор длиной L, в который инжектируется электронный P j Re Wtr ( tr - ref), Q2e пучок с энергией частиц in = mc2(in - 1) и плотностью тока jin > jcr2, где jcr2 — второй критический где tr = (L) — изменение энергии пролетных z ток. В этом случае в системе возможно стационарное частиц в ВЧ поле; ref =(1 - ei ) (z ) — изменение Виркатор с предмодуляцией электронного пучка на основе сильноточного... энергии частиц, отраженных от ВК;

z z (z ) =ei eEei dz ; (z ) = dz ;

V (z ) 0 V (z ) — невозмущенная скорость частиц; Sb — сечение пучка, — фаза влета частицы в область взаимодействия с ВЧ полем.

Полагая, что

jin jcr1 z mcРис. 1. Функции пролетного угла для однозазорного вирПри однородном распределении ВЧ поля в зазоре ли- катора.

нейный КПД взаимодействия можно представить в виде 1 jout jcr1 |eEL/mc2| j, отраженных частиц при возбуждении колебаний, можно j 2 jin jcr1 (in - 1) показать, что при L или L где /in, V z jcrz 0 = Re f (L) f (z ) - (1 - ei )| f (z )|2, /in, j jcr j 0 L z 1 при (0 - 1) -1, (0 - 1)1/f (z ) = ei dz.

z 1при 0 1.

При малых углах пролета 1 и, таким обра j зом, излучение отсутствует, что связано с поглощением Отсюда следует, что при нерелятивистской начальной энергии пролетными частицами, поскольку плотность энергии электронов возбуждение колебаний в однозатока ускоренных ВЧ полем пролетных частиц выше, зорном виркаторе возможно вследствие инерционной чем плотность тока замедленных. При конечных углах группировки частиц. При небольших углах пролета пролета, если инжектируемый ток jin jcr2, плоскость ( < 2.5) основной вклад в энергообмен вносят L поворота частиц приближается к плоскости инжекции частицы, отраженные от ВК. При релятивистских энерпучка. В этом случае, как и в предыдущем, отраженные гиях, когда скорость частиц за счет взаимодействия с ВЧ частицы практически не участвуют во взаимодействии. полем изменяется мало, возбуждение колебаний может При этих условиях Re{ f (L)}. Например, для происходить за счет модуляции тока, происходящей j (z ) z /V функция угла пролета (sin )/, вследствие осцилляций потенциала ВК. При jin jcr j L L где = (L). Таким образом, при больших значе- за возбуждение колебаний в широком диапазоне углов L ниях инжектируемого тока излучение возможно при пролета ответственны отраженные частицы. В случае, <, 2. Основной вклад в отрицательный энерго- когда jin jcr2, излучение возможно за счет пролетных L обмен с ВЧ полем вносят пролетные частицы. Отсюда, частиц. Использование модуляции тока в ВЧ поле для в частности, следует вывод о возможности возбуждения возбуждения колебаний возможно и в нерелятивистской колебаний в планарном вакуумном диоде. Функция угла области энергий электронов без образования ВК. При пролета для jin jcr2 при (z ) z /V показана на мером этому может служить генератор Баркгаузена– рис. 1. Высокочастотная проводимость зазора в этом Курца [10], в котором пролетные частицы, ускоренные случае становится отрицательной при > имеет ВЧ полем, поглощаются электродом, находящимся под L минимальное значение при 2. потенциалом катода, а замедленные ВЧ полем частицы L Другим механизмом, который может приводить к совершают осцилляции в потенциальной яме около возбуждению колебаний в виркаторе, является инерци- сетки с нулевым потенциалом.

онная группировка частиц под действием ВЧ поля. Для Пусть теперь виркатор состоит из двух зазоров с длипролетных частиц это возможно за счет монотронного ной соответственно L1 и L2. Пусть L1 L2, так что эффекта; отраженные частицы могут передавать энер- ВК существует только во втором зазоре. Будем считать, гию ВЧ колебаниям и при меньших углах пролета, как и в предыдущем случае, что зазоры являются 0 < < 2.5. Учитывая вклад как пролетных, так и элементами высокодобротного резонатора, в котором L 6 Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. 84 С.А. Кицанов, А.И. Климов, С.Д. Коровин, И.К. Куркан, И.В. Пегель, С.Д. Полевин могут существовать ВЧ поля с амплитудами E1 и E2. Таким образом, Высокочастотное поле во втором зазоре имеет сдвиг 3/фазы относительно первого зазора. Предполагается, Sb j0 j0 out cr P j Re | tr|2 - tr ref.

что изменение скорости частиц под действием ВЧ поля e j0 mccrнесущественно. Рассмотрим задачу в приближении малых углов пролета. Тогда, если частица пересекает оба Пролетные частицы в этом приближении всегда зазазора, изменение ее энергии под действием ВЧ поля бирают энергию у ВЧ поля. Поток частиц может пеесть редавать энергию электромагнитному полю только за счет отраженных от ВК частиц. Эффективность взаи tr 1 + 2 ei (eE1L1 + eE2L2ei ).

модействия максимальна, когда 2 =. При оптиz мальных значениях ускоренные в модулирующем z Изменение энергии отраженных частиц в этом призазоре частицы после отражения от ВК ускоряются, ближении мало по сравнению с изменением энергии а замедленные еще раз теряют энергию. В среднем пролетных частиц ref tr. Вероятность пролета энергообмен отрицателен вследствие того, что плотчастицы через второй зазор зависит не только от изность обратного тока замедленных частиц выше, чем менения ее энергии в области ВК, но и от энергии на ускоренных. Очевидно, что при 1 сдвиг фазы ВЧ выходе из первого, модулирующего, зазора. Из решения поля между двумя зазорами не оказывает влияние на стационарной задачи следует, что процессы энергообмена.

j0 j0 2( j0 / j0 )1/2 1 + Учтем в этом же приближении ( 1) пространout cr1 out cr Wtr.

ственные колебания ВК, считая их малыми. Этот меjin j0 mccrханизм аналогичен механизму возбуждения колебаний Тогда в отражетельном клистроне [11]. Тогда Sb j0 j0 |eE1L1|out cr0 z 0 z P j (, ), ref (eE1L1)ei [(1 - ei2 ) - i2 ei2 ], Z2e mc2 j jcrгде — изменение угла пролета частиц за счет коле z где (, ) = 2 j0 / j0 + 1 + 2 j0 / j j out out баний ВК, происходящие вследствие изменения энергии cr1 crчастиц в модулирующем зазоре.

cos + 2, = E2L2/E1L1.

Функция (, ) принимает отрицательные зна- Тогда j чения при 1 < < 2 j0 / j0 и =. Ее миниout cr Sb( jin - j0 ) (z /L2) (eE1L1)out min P z мальное значение (, ) = -(1 - 2 j0 / j0 )2/ j out cre mcдостигается при (1 + 2 j0 / j0 )/2. Таким обout Lcr sin(2 ).

Z0 Zразом, в системе двух зазоров возбуждение колебаний z возможно и при малых углах пролета. В энергообмене Как и для отражательного клистрона, энергообмен в этом приближении участвуют пролетные частицы.

максимален, когда 2 = 3/2. Суммарная эффективДля излучения необходимо, чтобы изменение энергии Zность взаимодействия, таким образом, есть частицы во втором зазоре было больше, чем в первом.

При противофазных полях в первом и втором зазорах 3/это обеспечивает передачу энергии от потока частиц 1 j0 j0 |eE1L1/mc2|out cr электромагнитному полю. В этом случае первый зазор jin cr1 (in - 1) jиграет роль модулятора электронного потока. С ростом величины инжектируемого тока линейный КПД взаимо- cos(2 ) +µ sin(2 ).

Z0 Z0 Zmin действия падает, 0 при j0 j0 /4.

j out crУчет конечного значения угла пролета достаточно Для jin 2 j0 коэффициент µ 2. Функция угла crпросто провести для 1. В этом случае можно пролета для этого случая приведена на рис. 2. Как пренебречь изменением энергии частиц за счет взаимо- видно, при jin jcr2 и 1 возбуждение колебаний действия с ВЧ полем в зазоре с ВК. Если, кроме этого, в виркаторе возможно как за счет колебания потенциала L1/V, то ВК, так и за счет его пространственных осцилляций. При больших значениях инжектируемого тока возбуждение 0 0 z tr eE1L1ei, ref eE1L1ei (1 - ei2 ).

колебаний возможно лишь в сверхразмерных системах, когда L2. Основную роль в возбуждении колебаний Вероятность прохождения через ВК в данном случае в этом случае играет „эффект отражательного клистроопределяется ее энергией на выходе из первого, модулина“, поскольку при jin j0 коэффициент crрующего, зазора j0 j0 2 tr( j0 / j0 )1/2 L2 jin 1/Zout cr1 out cr Wtr. µ 2 1.

Zjin j0 mc2 z jcr1 crЖурнал технической физики, 2002, том 72, вып. Виркатор с предмодуляцией электронного пучка на основе сильноточного... Численное моделирование в одномерной модели.

Режим больших КПД Основные закономерности энергообмена электронного потока с ВК с ВЧ полями большой амплитуды в одно- и двухзазорной системах исследовались с помощью одномерной PIC-модели с раздельным учетом полей объемного заряда и ВЧ полей. Поля объемного заряда определялись самосогласованным образом в потенциальном приближении. Амплитуды и фазы ВЧ полей, а также энергия инжектируемых электронов in и плотность тока инжекции jin задавались. КПД генерации определялся путем суммирования работ ВЧ поля над всеми частицами пучка с момента их инжекции до Рис. 2. Функция пролетного угла для двухзазорного виркатора поглощения на граничных электродах или фольге. Сравпри 1 и jin jcr2.

нение данной величины с полными потерями энергии частицами позволило сделать вывод об удовлетворительной консервативности схемы по энергии ( 10%).

Если L2, то при увеличении инжектируемого В однозазорной системе с ВК при небольшом превытока происходят уменьшение угла пролета и возZшении тока над критическим и умеренно релятивистской буждение колебаний становится невозможным.

энергии инжекции электронов ( 2) максимальная При 1 и z /L2 1 вероятность прохождения эффективность генерации СВЧ излучения ( 12%) дочастицы через ВК, как и в предыдущем случае, опредестигается при величине ускорительного параметра ляется изменением ее энергии в модулирующем зазоре.

Тем не менее, поскольку 1, необходимо учитывать eEL a = взаимодействие пролетных частиц с полем как в первом, mc2(0 - 1) так и во втором зазоре. Функция угла пролета в этом и невозмущенном угле пролета частиц через промежуслучае (без учета „эффекта отражательного клистрона“) ток в ВЧ поле может быть представлена в виде L = 2.

L Z Re{ei2 + ei f (L2)}.

c j Данная величина пролетного угла близка к величине, В частности, для (z ) =z /V характерной для механизма возбуждения колебаний, -(1 - cos 2 ) j Z0 связанного с модуляцией токопрохождения через ВК (рис. 1). Она приблизительно вдвое больше величины sin /Lпролетного угла, соответствующего резонансу с релак+ 1 + cos( + /2).

L /Lсационной частотой f электронного потока.1 В реr жимах с максимальными КПД положительный вклад Первые два члена обусловлены взаимодействием в энергообмен вносится отраженными частицами. Вклад электромагнитного поля с отраженными частицами, два прошедших частиц отрицателен и сравнительно мал.

других — с пролетными. Как видно, отраженные частиПри этом отражения испытывают в основном частицы, цы при любых углах пролета передают энергию полю.

стартовавшие во второй половине тормозящей и в Характер взаимодействия пролетных частиц зависит от начале ускоряющей фазы ВЧ поля.

Pages:     || 2 | 3 |



© 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.