книги / Релятивистские многоволновые СВЧ-генераторы
..pdfАКАДЕМ ИЯ НАУК СССР
С И Б И Р С К О Е О Т Д Е Л Е Н И Е
ИНСТИТУТ СИ Л ЬН О ТО Ч Н О Й ЭЛЕКТРОНИКИ
С. П. БУГАЕВ В. И. КАНАВЕЦ
В.И. КОШЕЛЕВ В. А. ЧЕРЕПЕНИН
РЕЛЯТИВИСТСКИЕ
МНОГОВОЛНОВЫЕ
СВЧ-
ГЕНЕРАТОРЫ
Ответственный редактор доктор физико-математических наук П. М. Щанин
НО В О С И Б И Р СК
«Н А У К А»
СИ БИ РС К О Е ОТДЕЛЕНИЕ
1991
УДК 621.385.6
Авторы
С. П. Бугаев, В. И. Канавец, В. И. Кошелев, В. А. Черепенин
Релятивистские многоволновые СВЧ-генераторы/Бу- гаев С. П., Канавец В. И., Кошелев В. И., Черепенин В. А.— Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1991.— 296 с.
ISBN 5 - 0 2 - 0 2 9 7 0 4 — 6.
В монографии рассмотрены вопросы ускорительной техники и фи зики сильноточных электронных пучков применительно к проблеме по лучения сверхмощного когерентного электромагнитного излучения. Описаны принципы построения релятивистских СВЧ-генераторов. При ведены результаты теоретических и экспериментальных исследований многоволновых генераторов с уровнем мощности > 10 ГВт.
Книга адресуется специалистам в области радиоэлектроники, уско рительной техники, релятивистской высокочастотной электроники, фи зики плазмы.
Табл. 6. Ил. 180. Библиогр.: 349 назв.
Р е ц е н з е н т ы
доктор физико-математических наук А. А. Рухадзе доктор технических наук 3 . С. Чернов
Утверждено к печати Институтом сильноточной электроники СО АН СССР
2302000000— 210 |
505— 91 II полугодие |
_ |
Издательство «Наука», 1991 |
Р одÏ [02)— 91------- |
© |
ISBN 5 -02 — 029704-6
ВВЕДЕНИЕ
К основным проблемам, решаемым сегодня сильноточной реля тивистской электроникой, можно отнести генерацию мощного коге рентного излучения. В последнее десятилетие в научных исследо ваниях в этой области достигнуты серьезные успехи, о которых свидетельствует получение гигаваттных уровней мощности в им пульсах микроволнового (СВЧ) излучения, а также продвижение соответствующих приборов в световой диапазон длин волн.
Одним из факторов, всегда определявших прогресс в сильноточ ной релятивистской высокочастотной электронике, являлось созда ние электронных потоков с необходимыми параметрами. Само ее зарождение следует связать с появившейся в конце 60-х годов воз можностью генерировать релятивистские электронные пучки с не достижимыми до той поры токами (100 кА) и энергией частиц (до 10 МэВ). Это открыло перспективы созданию мощных реляти вистских приборов с различными диапазонами частот, в том числе уже освоенных традиционной СВЧ-электроникой.
В 70-е годы достаточно широко развернулись работы, направ ленные на освоение сильноточной электроникой новых областей спектра электромагнитных колебаний — от миллиметровых длин волн до рентгеновского диапазона. Эти усилия связаны в основном с изучением различных вариантов лазеров на свободных электронах (ЛСЭ). Подавляющее большинство упомянутых экспериментов проведено на ускорителях, разработанных для нужд ядерной физи ки, пучки которых имеют высокие энергии и малые токи. Но для дальнейшего развития техники ЛСЭ инфракрасного и светового ди апазонов необходимо создание специальных ускорителей со значи тельными токами пучка и высокими уровнями энергии частиц (в десятки и сотни мегаэлектрон-вольт). Такие ускорители весьма громоздки.
Сильноточные электронные ускорители (СЭУ) с энергией частиц 1— 10 МэВ и током 0,1— 10 MA являются сегодня основным ин струментом для получения релятивистских сильноточных электрон ных пучков. Их создание стало возможным благодаря развитию раз делов сильноточной электроники: техники формирования мощных высоковольтных импульсов [1] и сильноточной эмиссионной элек троники [2]. Успехи в разработке эффективных сильноточных ком мутаторов и малоиндуктивных быстрых накопителей . [3, 4 ], с по мощью которых осуществляется компрессия импульсов в ускорите ле, создали энергетическую базу для сильноточных электронных
ускорителей. Использование такого эффективного источника элек тронов, как взрывная эмиссия, возникающая в высоковольтном дио де в начальной стадии вакуумного разряда [5], позволило осуще ствить генерацию импульсных электронных пучков с мощностью до 10 ТВт.
Сразу после своего появления СЭУ стали инструментальной базой для исследований по целому ряду физических направлений: инерциальному управляемому термоядерному синтезу, коллективно му ускорению ионов, возбуждению химических и газовых лазеров, генерации тормозного излучения, взаимодействию релятивистских электронных пучков (РЭП) с газом и плазмой и, наконец, генери рованию электромагнитных СВЧ-колебаний [6]. Такая широта при менения послужила мощным стимулом для развития техники СЭУ. Велось усовершенствование самих ускорителей и достигалось более глубокое понимание физики формирования электронных пучков, что позволило создавать ускорители с более высокой импульсной мощ ностью. Прогресс в этой области был очень быстрым. Если импульс ная мощность в электронном пучке первых СЭУ была 1— 10 ГВт [7, 8 ], то к середине семидесятых годов она шагнула в тераваттный диапазон [9], а к настоящему времени достигла уровня 100 ТВт [10].
Первые исследования по генерации микроволнового излучения с помощью сильноточных релятивистских электронных пучков с энергией порядка 1 МэВ были проведены в 1970 г. в США [11]. При этом удалось получить мощное импульсное СВЧ-излучение, что способствовало развертыванию широких исследований в этой обла сти [12]. В СССР создание приборов релятивистской сильноточной электроники началось несколько позднее [13] и также быстро про грессировало [14]. Необходимость повышения энергетических ха рактеристик импульсов СВЧ-излучения ставит два вопроса: форми рование РЭП с параметрами, обеспечивающими эффективную гене рацию, а также поиск и исследование типов взаимодействия элект ронных потоков с электромагнитным полем, адекватных возможно стям сильноточной электроники, т. е. позволяющих создать приборы без принципиальных ограничений на ток. Существующие ограниче ния обусловлены не проблемой транспортировки электронных пуч ков, а необходимостью соблюдения ряда условий эффективной гене рации или усиления, и прежде всего условий достижения опреде ленной степени пространственного развития систем и применения оптимальных механизмов взаимодействия.
Для получения сверхмощного коротковолнового излучения большой интерес представляют схемы, основанные на использова нии излучения пространственно-развитых потоков и электродинами ческих структур в релятивистских источниках СВЧ-излучения. Та кие приборы выгодно отличаются тем, что позволяют увеличить ток РЭП, получить оптимальные параметры пространственного заряда и снизить до требуемого уровня напряженность высокочастотного ноля на поверхности структуры. При этом, как известно, в сверхрнаморных волноводах с поперечными размерами во много длин волн основную проблему составляет получение одночастотного ре-
Живда генерации СВЧ-излучения, поскольку с увеличением отноше ния диаметра структуры к. длине волны генерации электронный поток может взаимодействовать со все большим количеством волн на разных частотах. Обычно получение одночастотной генерации электромагнитных, колебаний обеспечивается взаимодействием элек тронного потока с предварительно отселектированной модой «холод ной» электродинамической структуры, т. е. собственным колебанием структуры без пучка. Это обстоятельство накладывает жесткие огра ничения на поперечный размер структуры, а следовательно, и на апертуру используемого РЭП. Поэтому токи пучков относительно невелики, а энергетические возможности ускорителей используются далеко не полностью. Действительно, импульсная мощность пучков в упомянутых приборах не превышает 10 ГВт, а современные СЭУ способны сегодня генерировать пучки с мощностью. 100 ТВт. Не обходимо отметить, что техника формирования сильноточных элект ронных пучков сегодня еще не позволяет генерировать РЭП с той стабильностью, которая характерна для приборов традиционной электроники, и это препятствует получению высоких КПД в соот ветствующих приборах.
Одним из возможных вариантов решения проблемы является использование механизмов, в которых структура поля излучения определяется электронным потоком, причем взаимодействие потока и нескольких собственных электромагнитных волн электродинамит ческой структуры осуществляется на одной частоте. Когерентное излучение такого типа называется многоволновым. Многоволновые взаимодействие и излучение способствуют установлению одной определенной структуры объемного поля в пространственно-разви той электродинамической системе, снижению их напряженности на ее поверхности и повышению энергетических характеристик импуль сов генерируемого излучения. При этом структура поля оказывает ся простой, устойчивой, управляемой, обладающей временной и про странственной когерентностью. Рассмотрим подробнее основные принципы многоволнового взаимодействия электронных пучков с электромагнитным полем.
Отличительной особенностью многих релятивистских и нереля тивистских устройств является обеспечение существования лишь од ной моды электродинамической структуры в пространстве взаимо действия. Так, в классических приборах: Л ЕВ, ЛОВ, клистроне, магнетроне — поперечный размер электродинамической системы значительно меньше рабочей длины волны, что существенно облег чает выделение собственной моды. В оротронах, ГД И, гиротронах, некоторых типах релятивистских ЛОВ и ЛЕВ их соотношение мо жет быть обратным. В них принимаются меры для электродинами ческой или электронной селекции мод, т. е. используются различные способы выделения собственных колебаний (волн) таких структур [15].
При увеличении мощности генерируемых или усиливаемых ко лебаний возникают многочисленные проблемы, которые могут быть решены только существенным пространственным развитием элект
родинамических структур. Селекция мод становится самостоятель ной и чрезвычайно сложной задачей. Даже при ее успешном реше нии возникает проблема вывода энергии из устройства, так как воз можное уменьшение добротности рабочей моды может ослабить механизм селекции. Эти трудности универсальны для одномодовых систем и могут быть в значительной степени разрешены путем ис пользования многоволновых свойств когерентного излучения реля тивистских электронных потоков. Проиллюстрируем причину возни кновения многоволнового излучения.
Механизмы взаимодействия электронного потока с электромаг нитным полем в электронике СВЧ могут быть различны. Можно, однако, выделить некоторые общие признаки, характеризующие микроволновые устройства. Прежде всего, это конечная длина об ласти взаимодействия. В простейшем случае она определяется рас стоянием между катодом и коллектором. Другое важное свойство — использование условий синхронизма (резонанса) электромагнитного поля с электронным потоком
со — kv ~ гай,
где со — частота поля, к — волновой вектор, v — скорость электрона,
га = |
0, ± 1 , ± 2 , |
. . . , Й — характерная |
частота |
колебаний |
электронов, |
|
зависящая от механизма излучения. |
Например, при й = |
сов = |
W Y* |
|||
coo = |
еВо/ (тс) |
(у — релятивистский |
фактор, |
B Q— индукция |
одно |
родного магнитного поля, т и е масса и заряд электрона, с — ско рость света) реализуется тормозное излучение; при й = 2яуц/Z (1>ц — скорость поступательного движения электронов, I — период электро динамической структуры) — дифракционное; при Й = 2nvl{/d(d — период неоднородного магнитного поля) — ондуляторное и т. д. Это условие справедливо, строго говоря, только при взаимодействии электронного пучка с плоскими электромагнитными волнами, для которых можно ввести понятие волнового вектора. Тем не менее, оно применимо и к неоднородным волнам с изофазной поверхностью, на пример, к волноводным модам, так как имеет фазовый (кинемати ческий) характер. Как уже говорилось, обычно в электронике СВЧ стремятся фиксировать волновой вектор путем создания определен ной электродинамической структуры. Пучок при этом взаимодей ствует с одной волной (модой). Такие системы естественно назы вать одноволновыми.
К многоволновым будем относить устройства, в которых элек тронный поток взаимодействует на фиксированной частоте с не сколькими распространяющимися однородными и неоднородными волнами электродинамической структуры. Такой структурой можно считать и свободное пространство, а все взаимодействующие с пото ком волны могут и не быть ее собственными. В частности, для ре зонаторов многоволновое взаимодействие соответствует возбуждению пучком вырожденных собственных колебаний. Если в полосу син хронизма попадает несколько мод, обладающих достаточно низкой добротностью, то в резонаторе возможно возбуждение на одной час
тоте колебаний, и не являющихся собственными. Иногда в этом случае говорят о формировании «горячей» моды.
Введенное понятие многоволнового взаимодействия пучка и электромагнитного поля отличается от рассматриваемого в традици онной электронике СВЧ описания усиления или генерации с по мощью собственных волн электронного потока. Легко видеть, что даже при наличии в электродинамической структуре лишь одной моды в электронном пучке может возбуждаться много волн, часть из которых эффективно взаимодействует с ней. В современном теоре тическом анализе используются более сложные модели электронного пучка, получаемые, например, с помощью метода крупных частиц. Волновое же описание часто применяется для качественной иллю страции механизмов взаимодействия потока и поля. Оно особенно полезно при интерпретации безызлучательных процессов, связанных, например, с пространственным зарядом пучка. Их влияние на ко герентное излучение пучка опосредованно и должно учитываться лишь при рассмотрении эффективных приборов с высоким КПД.
Одноволновым приборам естественно поставить в соответствие понятие индуцированного излучения, так как согласно его опреде лению, квант индуцированного излучения не отличим по частоте, волновому вектору и спину (поляризации) от падающего. В много волновых устройствах кванты излучения могут различаться направ лением волновых векторов. Поясним специфику и причины возник новения многоволновых задач на простейшем примере.
Пусть на область существования электронного потока (область взаимодействия) падает электромагнитная волна (со, к ). При опре деленных условиях возможно ее усиление. Если на выходе из си стемы частота и направление волнового вектора такие же, как и на входе, то процесс соответствует классической интерпретации индуци рованного излучения. Под действием падающей электромагнитной волны траектория электронов меняется, они группируются и излу чают, но не только в направлении волнового вектора. Если при этом частоту можно считать фиксированной, то можно говорить об инду цированном рэлеевском рассеянии. Оно всегда сопровождает про цесс, хотя может быть и невелико. Так, в лазерных средах из-за пространственной однородности активного вещества усиление рас сеянных волн в направлениях, отличных от направления падающей волны, почти полностью компенсируется.
В релятивистской высокочастотной электронике ситуация иная. Здесь, например, часто используются трубчатые электронные пучки с большим (во много длин волн) диаметром и малой (менее Я/4) толщиной. Вследствие такой пространственной неоднородности ак тивной среды в области взаимодействия возможно усиление не толь ко падающей, но и рассеянных волн. И на выходе устройства фор мируется распределение поля с диаграммой направленности, сущест венно отличающейся от таковой на входе. Ширину углового спектра рассеянных волн, обусловленную, в частности, конечностью разме ров системы, можно оценить из очевидного соотношения ДА»Дх» ~ ~ 2л, где ДА», Axi — проекции волнового вектора и размеров обла
сти взаимодействия на оси декартовой системы координат. Таким: образом, уже только ограниченность длины взаимодействия дает ко нечную ширину углового спектра.
Механизм усиления электромагнитных волн зависит от кон кретной реализации системы и может быть классифицирован либо в соответствии с видом пучковой неустойчивости [16], либо с по мощью условия резонанса [17]. Во многих приборах в процессе, взаимодействия с электромагнитными волнами электронный поток
разбивается на сгустки, имеющие характерные |
размеры |
меньше |
длины излучаемой волны. Расстояние между сгустками Хе = |
2я^ц/со |
|
в направлении поступательного движения пучка |
называют |
элект |
ронной длиной волны. Излучение становится когерентным и имеет
частоту ев, |
а |
при достаточной |
группировке — и ее гармоники лго> |
|
(п = 1, 2, |
. . . ) . Если на частотах гармоник не |
выполняется условие |
||
резонанса, |
их |
излучение мало |
и физические |
процессы происходят |
только на частоте поля, подающегося на вход устройства. Электрон ный поток становится аналогичным антенне бегущей волны.
Диаграмма направленности когерентного излучения электронов зависит от формы пучка, времени (длины) существования сгустков и свойств излучения отдельных электронов, определяемых механиз мом взаимодействия. Например, как будет показано, когерентное синхротронное излучение имеет узкую «прожекторную» диаграмму направленности. Многоволновые системы, по крайней мере принци пиально, наиболее просто реализуются в усилительном режиме ра боты. Однако возможно создание и многоволновых генераторов. Обратную связь можно ввести путем подачи на вход устройств^ части выходного излучения. Для одночастотного генератора необхо димо обеспечить селекцию мод в цепи обратной связи. При доста точном усилении основная часть энергии выводится, минуя эту цепь, что важно при создании мощных устройств. В многоволновом генераторе для обеспечения обратной связи можно также использо вать часть взаимодействующих рабочих мод, находящихся в син хронизме с пучком, причем их поперечная структура может отли чаться от структуры рабочих волн, выводящих энергию электромаг нитного поля.
Отметим также, что появление многоволнового когерентного из лучения можно интерпретировать как эффект нефиксированной по перечной структуры электромагнитного поля, меняющейся под влиянием пучка [18, 19]. Однако такая терминология связана с определенной, достаточно традиционной теоретической схемой, при меняемой Для описания взаимодействия электронного потока в* электродинамических системах с ограниченным поперечным сече нием, например, в волноводах. Для открытых низкодобротных струк тур или свободного пространства ее использование затруднительно. Кроме того, поперечная структура поля включает также неизлучаемую (увлекаемую) часть, определяемую собственными кулоновски ми и магнитными полями. Таким образом, уже в одноволновых си
стемах поперечная структура |
ноля может |
быть нефиксированной. |
В многоволновых устройствах |
физические |
процессы определяются |
свойствами собственного излучения электронных сгустков [20] . Это обстоятельство имеет большое значение при интерпретации резуль татов исследований по самофокусировке и каналированию электро магнитных волн в ЛСЭ [ 2 1 ] Существуют, и другие проявления многоволнового взаимодействия, которые, в частности, могут при водить к увеличению КПД многоволновых устройств по сравнению с одноволновым. Физическая интерпретация этого эффекта доста точно проста. Если условия отдачи энергии электронами перестают быть оптимальными для одной волны, то они могут стать таковыми для другой и т. д. Таким образом, многоволновое взаимодействие более благоприятно для «высвечивания» энергии электронных сгуст ков и, следовательно, для оптимизации энергоотбора от пучка.
Исследованию вопросов, связанных с созданием релятивистских многоволновых устройств, посвящена многолетняя работа коллекти ва, куда входят авторы. При написании монографии авторы стави-> ли цель осветить с разных сторон проблему получения импульсов микроволнового излучения с мощностью 0 ,0 1 ^ 1 ТВт, соизмеримой, с возможностями современных СЭУ. Следует отметить одно сущест венное отличие сильноточной релятивистской электроники от тра диционной СВЧ-электроники. В последней проектирование системы энергопитания не связано с разработкой СВЧ-приборов. Это обстоя
тельство определяется сравнительно небольшой' |
мощностью уст |
|
ройств и в связи с |
этим возможностью непрерывного режима их |
|
работы. |
> |
|
В сильноточной |
электронике ситуация иная. |
Необходимость |
использовать только импульсный режим работы при мощностях 0,01— 100 ТВт заставляет пересмотреть принципы построения СВЧ-приборов: генераторов и усилителей. Как показано далее, про странственное развитие электродинамических систем СВЧ-устройств приводит к тесной связи процессов формирования сильноточных по токов с их излучением. С другой стороны, несомненна необходи мость оптимальной связи устройств накопления и передачи энергии с диодом ускорителя. Таким образом, в сильноточной электронике процессы формирования импульсов электромагнитной энергии и их преобразования в микроволновое излучение происходят, по существу, в едином устройстве. С методической точки зрения, по нашему мне нию, вполне оправдано раздельное рассмотрение способов получе ния импульсов напряжения, формирования электронных пучков и их когерентного излучения.
СИЛЬНОТОЧНЫЕ УСКОРИТЕЛИ ЭЛЕКТРОНОВ
1.1. ГЕНЕРИРОВАНИЕ МОЩНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ ПОТОКОВ
Для получения сильноточных электронных потоков требуются прежде всего особые источники электронов, способные эмитировать импульсные токи с амплитудой 0,01— 1 MA и плотностью 0,1— 10 кА/см2. Эта проблема имеет ограниченное число решений. Наи большее распространение получили холодные катоды на базе взрыв ной эмиссии [1], а также фотокатоды, стимулируемые лазерным из лучением [6], способные в коротких импульсах отдавать токи, не достижимые иными путями.
Для ускорения сильноточных потоков до релятивистских ско ростей в диапазоне энергий 1—20 МэВ сегодня используются два метода. Один из них — ускорение электронов потенциальным элек трическим полем в ускорителе прямого действия (УП Д). Энергия электронов пучка определяется разностью потенциалов, пройденной ими в высоковольтном диоде, а длительность импульса тока — вре менем действия ускоряющего напряжения. Другой метод — ускоре ние электронов вихревым электрическим полем, индуцируемым ме няющимся во времени магнитным потоком. Он реализуется в линей ных индукционных ускорителях (ЛИУ) [22—24], состоящих из многих одновитковых трансформаторов. В ЛИУ первичные обмотки трансформаторов соединены параллельно, а роль вторичной обмотки играет поток электронов. При этом вторичные напряжения транс форматоров суммируются.
Энергия, приобретаемая электронами в ЛИУ, зависит от скоро сти изменения индукции в магнитных сердечниках трансформаторов и площади их поперечного сечения. Длительность импульса опреде ляется временем нарастания магнитного потока в сердечнике, а моноэнергетичность пучка — постоянством скорости изменения индук ции во времени (к В /At = const). В индукционных ускорителях максимальные напряжения между элементами могут быть значи тельно меньшими, чем в УПД с той же энергией, в силу чего элект роны в ЛИУ могут приобретать более высокие энергии, вплоть до десятков мегаэлектронвольт. УПД представляет возможность уско рения для электронных потоков со значительно большими токами, чем в ЛИУ. Считается [23], что с увеличением энергии ускоренных частиц масса и стоимость ЛИУ растут линейно, а УПД — примерно как энергия в степени 2,5— 3, что определяется необходимостью увеличения размеров последнего во всех трех измерениях.
В этой главе основное внимание уделено СЭУ прямого действия, ЛИУ используются сегодня в основном в экспериментах с лазерами