книги / Релятивистские многоволновые СВЧ-генераторы

дрейфа пучка может быть тем больше, чем больше энергия элект­ ронов. Подавление диокотронной неустойчивости за счет увеличе­ ния толщины пучка продемонстрировано экспериментально в [226]. Следует отметить, что условия формирования и устойчивой транс­ портировки трубчатых РЭП сверхбольшой мощности согласуются как между собой, так и с необходимостью использования пучков большого диаметра.

Структура трубчатого пучка может изменяться при транспор­ тировке вдоль трубы дрейфа и в условиях, когда диокотронная неустойчивость не развивается [150, 222]. Эксперименты прово­ дились при близких значениях напряжения на КДМИ U ^ 1— 1,9 МВ и длительности импульса ти ^ 0,3—0,5 мкс. Профиль пучка измерялся с помощью системы коллекторов для одного момента времени на различных расстояниях от катода (рис. 2.37) [222]. Внешний радиус пучка сохраняется практически постоянным, а тол­ щина РЭП на полувысоте увеличивается от 0,2 до 0,4 см. Макси­ мальная плотность тока в пучке при этом уменьшается. Изменение структуры пучка определялось [150] с помощью его автографов на мишенях, устанавливаемых в начале и в конце трубы дрейфа. Расстояние между ними было 1 м. Пучок на выходе из КДМИ состоял из большого числа струй. При транспортировке на 1 м толщина пучка увеличивалась примерно в два раза и уменьшалось число эрозионных клеток на автографе (струй), что указывало на уменьшение плотности тока.

Высказано предположение, что расширение пучка при транс­ портировке связано с его струйчатой структурой [150]. При этом могут играть роль как процессы конвективного характера с време­ нами порядка пролетного, так и медленные. Для проверки влияния конвективных процессов проведено численное моделирование транс­ портировки трубчатого однородного пучка и пучка, состоящего из

струй и из струй с разной плотностью тока. Расчеты показали, что при одинаковых токах за время пролета, соответствующее расстоя­ нию 1 м, струйчатый пучок расширялся, а однородный нет. Каче­ ственно это согласуется с экспериментами [150], где толщина пуч­ ка была уменьшена при улучшении однородности эмитирующей плазмы за счет увеличения числа КФ на тонком металлическом катоде. Тем пе менее, при транспортировке на 1 м и такой пучок расширялся.

Расчет динамики структуры пучка радиусом 5 см из 48 идеи--

тока идентичных струй больше измеренной je ^ 100—200 А/мм2' |‘160]. Однако следует отметить, что струи, образующиеся в начале фронта импульса напряжения, могут расширяться сильнее, чем образующиеся в его максимуме, и существенно влиять на измене­ ние автографов пучка. Реальный пучок состоит из неидентичных струй. Радиальные колебания таких струй могут также привести к расширению пучка. Отметим, что радиальная модуляция тока реги­ стрировалась экспериментально и в отсутствие диокотронной не­ устойчивости [220]. Для построения более полной физической мо­ дели расширения пучка при его транспортировке необходимы до­ полнительные исследования.

Наряду с процессами, обусловленными собственным электро­ статическим полем, в сильноточном пучке могут развиваться и электромагнитные неустойчивости, например, по типу МЦР [227]. Излучение трубчатых пучков при транспортировке в трубах дрейфа будет рассмотрено в пятой главе, посвященной генерации электро­ магнитного излучения.

Г л а в а 3

ЭЛЕКТРОННЫЙ ПОТОК КАК АКТИВНАЯ СРЕДА

ВМОЩНЫХ СВЧ-УСТРОЙСТВАХ

3.1.ОСОБЕННОСТИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПОТОКА И ПОЛЯ, ОБУСЛОВЛЕННЫЕ ВЛИЯНИЕМ ЭЛЕКТРОННОЙ СРЕДЫ

Вслаборелятивистской электронике больших мощностей создан

ряд источников СВЧ-излучения с импульсной мощностью до 100 МВт. В них применяются термокатоды, а ускоряющие напря­ жения не превышают 300—400 кВ [228, 229]. Среди мощных при­ боров следует отметить многорезопаторпые клистроны, лампы бе­ гущей и обратной волны, магнетроны и гироприборы [229, 230]...

В этих устройствах используется взаимодействие электронного пуч­ ка с полем одной выделенной резонансной моды «холодной» элект­ родинамической системы (моды системы без потока).

Импульсное излучение сверхбольшой мощности (> 1 ГВт) по­ лучают преимущественно с помощью релятивистских сильноточных потоков, эмитируемых катодами со взрывной эмиссией и имеющих энергию частиц 1— 10 МэВ (см. главы 1 и 2). На начальном этапе развитие релятивистской сильноточной электроники также шло по пути создания генераторов и усилителей с взаимодействием волн потока с полем выделенной моды «холодной» электродинамической системы.

Приборы СВЧ-электроники больших мощностей в последние годы конструируются с использованием пространственно-развитых потоков и электродинамических систем с поперечными размерами

б несколько длин волн. В этих приборах применяются разливнью электронные и электродинамические методы селекции, позволяю­ щие выделить синхронную моду многомодовых резонаторов и вол­ новодов. По мере роста интенсивности потока и увеличения по­ перечных размеров электродинамических систем простые способы выделения «холодной» моды перестают действовать, так как поток оказывает влияние на продольную и поперечную структуры поля излучения. В этом случае при релятивистских энергиях частиц рас­ пределение электромагнитного поля определяется антенным меха­ низмом и направленными свойствами излучения.

Врелятивистской электронике сильноточные пучки, получае­ мые с помощью катодов с взрывной эмиссией, имеют значительный разброс поперечных и продольных скоростей электронов даже при постоянстве общей энергии частиц (см. гл. 2). В результате воз­ никли большие трудности в создании высокоэффективных СВЧустройств на поперечном взаимодействии потока и поля и на пе­ редний план выступили устройства на продольном взаимодействии, менее чувствительные к этому фактору.

Вэлектронике больших мощностей важную роль стали играть усилительные миогорез0|натор1ные клистроны на продольном взаи­ модействии потока электронов и поля низшей моды в резонаторах.

Переход к пространственно-развитому ^(многолучевому) потоку [231] позволил увеличить общий рабочий ток и электронную на­ грузку резонаторов при оптимальных параметрах пространственного заряда. Уже в группирователе становятся важными нелинейные волновые и колебательные процессы в электронном пучке, обусло­ вленные энергообменом между волнами различных временных гар­ моник. Длительно живущие сгустки излучают в выходном резона­ торе. Физические принципы оптимального группирования и энергообмена в мношрезштаторном клистроне [231—235] универсальны и применимы для анализа процессов в других мощных приборах и в многосекционных устройствах релятивистской сильноточной элек­ троники.

В традиционных устройствах с длительным продольным взаи­ модействием потока и поля (типа ЛБВ и ЛОВ) большую роль иг­ рает связь волн пространственного заряда с прямой или встречной волнами электродинамической структуры [236, 237]. Специфика связи волн замедляющей системы с волнами потока в ЛБВ на це­ почке связанных резонаторов (ЛБВ ЦСР) обусловлена значитель­ ным увеличением влияния электронной среды на частоте «л»-вида полосы прозрачности [236]. Протяженное взаимодействие потока и поля в области частот «2л»-вида периодической структуры исполь­ зуется в нерелятивиютских генераторах дифракционного излучения (ГДИ) [238] и в релятивистских дифракционных СВЧ-источииках [239—241]. В релятивистских дифракционных генераторах волны потока взаимодействуют с поверхностными и объемными волнами сверхразмерной периодической электродинамической системы. Структура поля в большой степени определяется излучением элект­ ронного потока.

Вслаборелятивистских и релятивистских мазерах на циклов тройном резонансе при ограниченных токах пучка релятивистские осцилляторы взаимодействуют с одной выделенной модой резонато­ ра или волновода [242—244]. При увеличении тока резонансные свойства электронной активной среды приводят к фазовой самофо*- кусировке электронных осцилляторов, каналированию поля в пото­ ке и направленному излучению электронных сгустков [245—248] ~ Самосогласованное взаимодействие релятивистских частиц происхо­ дит в пределах конуса синхронного излучения [246, 247]. В этом случае модовый состав электродинамической системы не важен, по­ ле излучения электронных синхротронных мазеров почти не каса­ ется стенок [248] или может распространяться в полностью по­ глощающем волноводе [160].

Впервых вариантах релятивистских черепковских генераторов, ira сверхразмерных периодических структурах— релятивистских ге­

ностной волны в объемное поле формирует диаграмму направлен­ ности излучения [250]. По мере роста тока структура поля поверх­ ностной волны становится зависимой од электронного потока [251]. В волноводе достаточно большого диаметра процессы могут рассматриваться методами теории дифракции [252]. Специфика изаимодействия релятивистского сильноточного потока с поверх­ ностными полями двух коротких секций сверхразмерного волновода особенно наглядно проявляется в многоволновом черепковском ге­ нераторе (МВЧГ) [253]. На выходе МВЧГ формируется аксиаль­ но-симметричная диаграмма направленности излучения.

Мощность излучения РГПВ и МВЧГ зависит от соотношения между частотой сигнала и циклотронной частотой потока. Это озна­ чает, что в линейном приближении с поверхностным полем связаны одновременно шесть волн: волны пространственного заряда, циклотрапные и синхротронные волны [250]. Взаимодействие сопровож­ дается антенным излучением и возбуждением многих объемных мод волновода. Число волн потока увеличивается при его простран­ ственно-периодическом изменении — возникают волны простран­ ственных гармоник. Фазовая скорость некоторых волн может быть больше скорости света. Взаимодействие быстрой пространственной гармоники слаборелятивистского потока, пульсирующего в знакопе­ ременном магнитном поле, с быстрой волной одной из мод гладкого волновода используется в мощном убитроне [254].

Наибольший интерес в настоящее время представляют реляти­ вистские убитроны со значительным доплеровским преобразованием частоты, названные лазерами на свободных электронах (ЛСЭ) [25, 255]. В ЛСЭ используются потоки с энергией частиц от единиц до сотен мегаэлектронвольт. Сильноточные ЛСЭ с энергией элект­ ронов 1— 10 МэВ являются перспективными источниками СВЧизлучения в коротковолновой части миллиметрового диапазона и в субмиллиметровом диапазоне. Однако, по-видимому, в этом диапа­

зоне серьезную конкуренцию ЛСЭ составят сильноточные МЦР на авторезонансе, примененные, например, в качестве вторых сек­

источниках СВЧ-излучения. Оно приводит к сдвигу границы поло­ сы прозрачности, согласованию, установлению продольной струк­ туры поля возрастающей волны усилителя [237].

3.2. ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ ОПТИМИЗИРОВАННЫХ УСТРОЙСТВ ЭЛЕКТРОНИКИ

БОЛЬШИХ МОЩНОСТЕЙ

3.2.1. Общее описание схем оптимизированных устройств

В электронике больших мощностей наблюдается стремление к оптимизации параметров генераторов и усилителей. Наибольшее распространение получили оптимизированные схемы усилителей, содержащие несколько каскадов (секций). Важную роль играет •оптимизация с целью получения высокого КПД преобразования энергии потока электронов в энергию электромагнитного поля. Она связана с прямым использованием колебательных и волновых свойств потока как нелинейной активной среды. Соответствующая физическая картина наиболее подробно рассмотрена в теории мощ­ ных мпогорезонаторных клистронов [229, 231] и подтверждена данными эксперимента, в том числе достижением уровня электрон­ ного КПД 80— 90 %. Основные физические выводы теории клистро­ нов могут быть применимы и для анализа оптимизированных про­ цессов в устройствах другого типа на протяженном электронном потоке.

Оптимизированная схема усилителя или генератора с обратной связью на вход системы содержит несколько основных частей (рис. 3 .1):

— модулятор потока (входная секция), в котором электромаг­ нитное поле, подаваемое на вход, перераспределяется по различ­ ным волнам потока, в том числе волнам пространственного заряда, циклотронным и синхротронным волнам;

—усилитель слабого сигнала, в котором выделяется одна воз­ растающая бегущая или стоячая волна, зачастую являющаяся су­ перпозицией нескольких волн «холодной» системы и потока;

—нелинейный группирователь электронов, в котором образу­ ются и взаимодействуют опрокидывающиеся волны или солитоны, обеспечивающие получение продольных или фазовых сгустков с небольшим динамическим разбросом скоростей частиц;

— излучатель («отбиратель» СВЧ-энергии, выходная секция), в котором сгустки тормозятся и кинетическая энергия частиц пере­ дается электромагнитному полю. В устройствах магнетронного типа СВЧ-долю может передаваться потенциальная энергия сгустков.

пригоден для высокоэффективного энергоабмена в выходном устрой­ стве.

В выходной системе (излучателе) происходит коллективное* собственное или индуцированное излучение сгустков. При передаче полю кинетической энергии электронов возникает индуцированное тормозное излучение сгустков в накопившемся в электродинамиче­ ской системе поле их коллективного собственного излучения.

В оптимизированном СВЧ-устройстве самосогласованное взаи­ модействие потока и поля состоит из многократно повторяющихся процессов индуцированного излучения (воздействия заданного поля на поток) и коллективного собственного излучения сгустков (излу­ чения заданного тока). Рассмотрим подробнее физические процессы в различных основных частях наиболее важных СВЧ-устройств (ем. рис. 3.1, б — г).

3.2.2.Многорезонаторный клистрон

свысоким КПД

Многорезонаторные клистроны (МР-К) являются одними из самых распространенных СВЧ-усилителей сантиметрового и деци­ метрового диапазонов длин волн. Процессы в клистроне основаны на взаимодействии потока с полями в последовательпости одномодовых резонаторов. Прибор, как правило, включает один входной резонатор, служащий для модуляции потока по скоростям, несколь­ ко каскадов усилителя слабых сигналов в заданной полосе частот, нелинейный группирователь и выходной резонатор. Нелинейный группирователь может содержать один или несколько резонаторов второй гармоники (рис. 3.2), служащих для организации оптималь­ ного процесса образования длительно живущего сгустка с малым разбросом медленных скоростей электронов [231]. В выходном ре­

зонаторе происходит глубокое тор­ можение потока с обратным и ко­ лебательным движением электро­ нов, сопровождающееся оседанием медленных частиц на стенки выход­ ного зазора [231, 232].

Возрастание модуляции потока по скоростям во входном резонато­ ре клистрона (см. рис. 3.1, б) обу­ словлено возбуждением в пучке быстрой и медленной волн прост­ ранственного заряда равных ампли­ туд и противоположных фаз. В уси­ лителе нарастают амплитуды стоя-

Рис. 3.2. Зависимость электронного КПД

дуцированная плазменная длина волны потока, зависящая от рас­ стояния до стенок трубы дрейфа. Резонансные частоты резонаторов усилителя выбираются в пределах рабочей полосы частот для фор­ мирования требуемой амплитудно-частотной характеристики.

Резонансные частоты нелинейного группирователя берутся силь­ но отстроенными за пределы рабочей полосы. Резонаторы основной частоты отстраиваются в высокочастотную, а второй гармоники — в низкочастотную сторону. Все это способствует группировке ча­ стиц в плотный сгусток заряда. На выходе оптимизированного группирователя отношение амплитуды первой гармоники тока к то­

вводятся удлиненные трубы дрейфа или дополнительные резонато­ ры второй гармоники. В потоке развивается нелинейное «плазменное резонансное группирование» с образованием на выходе длительно живущих сгустков — солитонов [233]. В процессе оптимизации группировапия методом крупных частиц учитывается конечный радиус действия пространственного заряда (пространственная дисперсия в потоке), возможность компенсации динамического расслоения по­ тока в сгустке и динамическая расфокусировка при трехмерном движении частиц. Расчет нелинейного плазменного резонансного группирования может быть проведен и приближенными волновыми методами [233]. В этом случае процесс сводится к взаимодействию нелинейных волн в области дрейфа, описываемых уравнениями ти­ па Кортвега — де Фриза, Буссинеска и другими, используемыми в газодинамике, физике плазмы и нелинейной оптике.

Всоответствии с данными теории оптимального группирования

иэнергообмена были разработаны оптимизированные конструкции мощных 6- и 8-резонаторных клистронов, что способствовало повы­ шению электронного КПД мощных приборов с 40 —50 до 80 — 90 % [234, 235]. Следует отметить, что экспериментальные конструкции

на единичный луч, где /ь1> — ток электронного луча, U — ускоряющее напряжение. Это не означает малую мощность прибора. Для N JJ лучей СВЧ-мощность

P ^ ^ i определяется ускоряющим напряжением и числом лучей:

Для типичной конструкции с Л^л — 10 мощность определяется на­

вистского семилучевого клистрона высокого КПД с двухзазорными

значительным динамическое провисание потенциала в пределах

ческое провисание проявляется через динамическую расфокусиров­ ку сгустков, которая способствует селекции медленных элeктpoнoвt их оседанию на стенки выходного резонатора и увеличению КПД энергообмена до 80 — 90 %.

Оптимизированная схема (см. рис. 3.2) применима и для ре­ лятивистских напряжений, однако по мере роста энергии частиц, необходимо увеличивать число зазоров резонаторов. Тем самым со­ вершается переход от обычного клистрона к клистрону с распреде­ ленным взаимодействием (К РВ ). Переход к КРВ необходим и при уменьшении рабочей длины волны, в том числе и при работе в ко­ ротковолновой части сантиметрового и в миллиметровом диапазо­ нах длин волн.

В релятивистской области следует также учитывать различие между истинным микропервеансом Р ^ и его эквивалентным зна­ чением

ройства Р < 3 ГВт. Оценки показывают, что для получения сверх­ большой мощности при е ^ 1 МэВ необходим переход к простран­ ственно-развитым системам. Этот вывод справедлив не только для