книги / Релятивистские многоволновые СВЧ-генераторы

многорезонаторных клистронов, но и для других оптимизированных схем усилителей и генераторов.

По мере повышения энергии электронов потока, снижения до­ бротности резонаторов клистрона в широкополосных усилителях (ИЗЧ-колебаний и при переходе в коротковолновую часть диапазо­ на число зазоров резонатора увеличивается, взаимодействие из дис­ кретного становится непрерывным. Обычно считается, что распре­ деленное взаимодействие, характерное для бегущей волны, уста­ навливается при 5 — 10 зазорах. Клистрон с такими многозазорны­ ми резонаторами называется клистроном с распределенным взаимо­ действием (К Р В ).

Длительное распределенное взаимодействие в мощных систе­ мах требует понижения добротности резонатора для вывода излу­ ченной энергии. Начиная с некоторого уровня добротности, прямая и встречная волны оказываются достаточно сильно развязанными, и от КРВ совершается переход к ЛБВ на цепочке связанных резо­ наторов (ЛБВ ЦСР) или же к твистрону с клистронным группирователем и выходным устройством типа ЛБВ. Наиболее характер­ ные процессы могут быть выявлены на примере мощных ЛБВ ЦСР.

3.2.3. ЛБВ на цепочке связанных резонаторов

Мощные ЛБВ на цепочке связанных резонаторов (ЛБВ ЦСР) нашли применение в качестве усилителей коротковолновой части

правило, важен синхронизм потока с пространственными гармони­ ками п = 0, ± 1 .

Ряд высокоэффективных ЛБВ ЦСР действуют на частотах, примыкающих к частоте «я»-вида границы полосы прозрачности цепочки резонаторов с отрицательной дисперсией основной волны

низкочастотной границей полосы прозрачности, что снимает многие трудности по устранению паразитных автоколебаний в потоке. В ЛБВ используется синхронизм потока с пространственной гармо­

частоты границы полосы, в секциях возникает усиление на часто­ тах вне «холодной» полосы прозрачности. На этих частотах обрат-

Рис. 3.3. Блок-схема секции ЛБВ ЦСР с противофазной связью соседних ячеек, дисперсиопные характеристики этой сек­ ции в области пространственных гармо­ ник с номерами п = 0, + 1 и кинематиче­ ские прямые для потока электронов с

энергией 17 и 80 кэВ.

нал связь по полю оказывается весьма ослабленной из-за реактив­ ного затухания, а прямое усиление — существенно более устой­ чивым.

Во входной секции ЛБВ ЦСР прямая волна поля возбуждает различные собственные волны системы поток — структура. В за­ предельных усилительных секциях реализуется механизм выделе­

мы: быстрой и медленной волн потока aq±, прямой А + и встречной

поглотителями и внешней нагрузкой. Было показано, что входная секция ЛБВ ЦСР, идеально согласованная с внешними трактами в отсутствие потока, после его включения оказывается рассогласо­ ванной. Это объясняется наличием электронной нагрузки электро­ динамической системы и свидетельствует о важности согласования секций при наличии потока. По мере увеличения тока амплитуда стоячей волны растет, секция самовозбуждается.

Теоретический анализ взаимодействия потока и поля в мощ­ ных ЛБВ ЦСР проводят с помощью эквивалентных схем [236г 237]. Метод возрастающей волны совместно с более полным расче­ том, основанным на использовании эквивалентных схем, позволил разработать конструкции ЛБВ ЦСР с несколькими запредельными секциями, имеющими разнесенные частоты отсечек. В них специ­ фический четырехволновый механизм взаимодействия волн потока и поля оказывается существенным во всей рабочей полосе частот. Условия согласования возрастающей волны моды обеспечиваются применением специальных оконечных резонаторов и. введением по­ глотителей на концах запредельных секций. В результате внедре­ ния рекомендаций в практику разработок удалось расширить рабо­ чую полосу частот ЛБВ ЦСР диапазона 2 см с 4 до 8 % [231].

3.2.4. Дифракционные усилители и генераторы

Наряду с рассмотренным Л ЕВ ЦСР можно указать и другие классы усилителей, основанных на взаимодействии потока и поля вблизи частот границ полос прозрачности. Взаимодействие может осуществляться не только на частоте «л»-вида волноведущих си­ стем с положительной и отрицательной дисперсиями основной вол­

используется в нерелятивистских и слаборелятивистских генерато­ рах: оротронах и ГДИ [239]. Их действие основано на дифракци­ онном излучении электронных сгустков вблизи замедляющей сис­ темы с положительной дисперсией. Резонатор этих генераторов есть система зеркал: внутреннего гладкого и плоского с периодиче­ ской поверхностью. Электронный поток проходит вблизи гребенки и взаимодействует с модой открытого резонатора. Взаимодействие отличается связью нескольких волн, в том числе объемной волны резонатора и синхронной с потоком волны пространственной гар­ моники.

Открытые резонаторы используются, главным образом, для получения резонансных колебаний в миллиметровом диапазоне. Каустическая поверхность ограничивает область (пятно), занятую электромагнитным полем дифракции. Разложение поля внутри пят­ на в ряд по пространственным гармоникам гребенчатой поверхно­ сти дает пространственные гармоники с различными фазовыми ско­ ростями. При синхронизме потока и поля одной из гармоник воз­ буждаются сразу поля всех гармоник и энергия передается в вы­ бранную моду открытой системы. В результате поток возбуждает колебания в резонаторе, поперечные размеры которого могут на порядок или два превышать длину генерируемой волны.

В сильноточной электронике реализованы односекционные ре­ лятивистские генераторы дифракционного излучения (РГДИ ) [239, 240], а также двухсекционные релятивистские дифракционные ге-

Рис. 3.4. Дисперсионные характеристики сверхраз­ мерного периодического волновода с периодом Z, условия синхронизма пото­ ка (штриховая линия со = = ^и^п) и аксиально-сим­ метричных мод типа Еоп,

дисперсионные линии мед­ ленной (МЦВ) и быстрой (БЦВ) циклотронных волн.

нераторы (РД Г) [241]. Взаимодействие потока и поля происходит в протяженных сверхразмерных периодических волноводах в обла­ сти частот «2я»-вида (см. рис. 3.4). Пространственное распределе­ ние поля содержит поверхностные волны и объемные, направлен­ ные почти по нормали к поверхности. При переходе к многосекци­ онным конструкциям с высоким КПД также следует ожидать выделения четырех основных частей устройства (см. рис. 3.1). Возрастающая волна будет включать объемную пространственную гармонику, излучаемую почти нормально к поверхности.

3.2.5. Мазеры на циклотронном резонансе

Наиболее мощными генераторами с длинным импульсом в ко­ ротковолновой части СВЧ-диапазона являются гирорезонансные приборы — мазеры на циклотронном резонансе, особенно их разно­ видности с аксиально-симметричными системой и потоком, нерегу­ лярным волноводом и резонансом на его критической частоте — гиротроны [230]. Гиротрон содержит магнетронно-инжекционную электронную пушку, открытый резонатор и широкий коллектор электронов. Поток имеет достаточную начальную закрутку и пред­ ставляет собой совокупность ансамблей возбужденных циклотрон­ ных осцилляторов, направляемых внешним фокусирующим одно­ родным магнитным полем соленоида. Под воздействием последнего возникает фазовая фокусировка осцилляторов, обусловленная зави­ симостью частоты циклотронного вращения от энергии частицы. Фазовый сгусток попадает в тормозящую фазу волны и отдает энергию электромагнитному полю, возникает индуцированное излу­ чение ансамбля циклотронных осцилляторов. В слаборелятивист­ ском гиротроне излучение сопровождается изменением энергии по­ перечного вращения, продольная скорость частиц не меняется. В этом смысле прибор действует как квазиквантовое устройство, излучающее в результате переходов между энергетическими уров­ нями осцилляторов.

Внастоящее время кроме однорезонаторного генератора — ги­ ротрона — реализованы многорезонаторные гироклистроны, гироЛБВ и другие устройства. Во всех этих системах фазовая скорость волн также близка к бесконечности, а усиление происходит в об­ ласти критических частот волновода. В этом случае меньше всего сказывается разброс поперечных и продольных скоростей электро­ нов. Электрон, смещающийся из-за разброса скоростей вдоль оси системы, не выпадает из резонанса.

Вмногомодовом открытом резонаторе гиротронов используют­ ся моды шепчущей галереи, аксиально-симметричные моды и моды двухзеркального резонатора. Селекция мод осуществляется выбо­ ром условий циклотронного резонанса, переходом к специальным: резонаторам. Поперечная структура поля, как правило, фиксирова­ на, продольная может зависеть от электронного потока.

КПД гиротрона по мере увеличения энергии электронов пада­ ет. В устройствах не происходит доплеровское преобразование час­

тоты, хотя в гиротронных системах с волноводами большого диа­ метра отмечается самовозбуждение на модах с фазовыми скоростя­ ми, близкими к скорости света. В результате, хотя первые реляти­ вистские генераторы на винтовом потоке, названные синхротронными мазерами, действовали, как и гиротроны, на частоте, близкой к

Среди МЦАР существенный интерес представляют устройства со слабоускоренными бегущими волнами (уф> с). Расчеты показа­ ли, что самосогласованное взаимодействие поля и потока осцилля­ торов приводит к усилению такой попутной волны с высоким КПД [243]. В отличие от гиротронов поток передает полю энергию пре­ имущественно продольного движения, что типично для мазеров и лазеров на свободных электронах. Вариант МЦАР типа клистрона может действовать, когда фазовая скорость волны в выходном резо­

С увеличением энергии частиц важную роль играет коллектив­ ное собственное излучение фазовых сгустков заряда. Эффекты ко­ герентности в ансамбле слаборелятивистских электронов приводят к самофокусировке осцилляторов и даже к самовозбуждению мало­ го объема классической нелинейной активной среды без какой-либо внешней электродинамической системы [245]. Эти же эффекты в релятивистском потоке осцилляторов как в движущейся среде со­ провождаются фазовой самофокусировкой при взаимодействии час­ тиц в пределах конуса направленного синхротронного излучения [18, 246, 247]. Авторезонанс и направленное синхротронное излу­ чение циклотронных осцилляторов рассмотрены, в частности, в тео­ рии электронного синхротронного мазера на поглощающем волно­ воде (ЭСМ) [246].

ЭСМ с высоким КПД энергообмена [246] можно разделить,, как и другие устройства, на четыре главные части: модулятор, уси­ литель слабого сигнала, нелинейный группирователь и излучатель. Расчеты методами теории многомодового (многоволнового) взаимо­ действия (см. гл. 4) показали, что при подаче на вход мазера поля аксиально-симметричной моды на начальном участке (в модулято­ ре) устанавливается характерное поперечное распределение поляг описываемое несколькими модами волновода (например, модами Нот, т = 1 — 6). В области усилителя фазовые скорости мод уста­ навливаются и не меняются (см. рис. 3.1, г), в системе возникает характерная структура одной возрастающей волны, причем распре­ деление поля остается постоянным при усилении сигнала на не­ сколько десятков децибелл. При токе пучка, превышающем крити­

вание фазового сгустка переходит в нелинейную стадию и сопро­ вождается коллективным направленным синхротронным излучени­ ем, которое характеризуется быстрым нарастанием амплитуд А тл. попутных волн высших мод #от, тп = 8 — 11 (см. рис. 3.1, г),

На выходном участке (в излучателе) электронный сгусток взаимо­ действует с полями многих мод (волн), и формируется конус сиихротронного излучения. Уровень КПД высок (40— 50 % ).

Усиление сигнала типа ЭСМ на авторезонансе в потоке цикло­

чение миллиметрового диапазона с мощностью в несколько десят­ ков мегаватт. Усиление и самовозбуждение ЭСМ на сверхразмер­ ном поглощающем волноводе получено при энергии частиц 1,2 МэВ

вмиллиметровом диапазоне [160].

3.2.6.Усилители и генераторы поверхностной волны

Всверхразмерном периодическом волноводе при достаточном замедлении волны моды Ео\ распространяется .поверхностная вол­ на. Наибольшее замедление наблюдается в области частот «я»-ви- да (рис. 3.5). По мере уменьшения частоты сигнала фазовая ско­ рость поверхностной волны возрастает, становится равной скорости света и в дальнейшем распространяется объемная волна моды Ео\. При синхронизме потока и поля в области частоты «я»-вида систе­ ма легко возбуждается в режиме релятивистского генератора по­

верхностной волны (РГП В) [249]. Параметры релятивистского ис­ точника улучшаются при секционировании системы [250].

На частоте «я»-вида секционированный генератор или усили­ тель поверхностной волны действует в режиме КРВ. Для его опи­ сания применима общая схема клистрона (см. рис. 3.1, б). В тео­ рии РГПВ с фиксированной структурой поля в ячейках показано, что при учете конечного магнитного поля установившаяся мода оп­ ределяется суперпозицией двух волн периодической структуры, медленной и быстрой волн пространственного заряда, а также двух

Поперечное распределение поля определяется его многоволновым: изаимодействием с потоком. Соответствующий анализ для протя­ женной секции РГП В [251] показывает, что продольная компонен­ та электрического поля в области потока имеет минимум. На ко­ нечном участке периодической структуры поверхностная волна переизлучается в объемную. Излучение имеет антенный характер и диаграмма направленности формируется полем нескольких акси­ ально-симметричных мод гладкого круглого волновода. Анализ вза­ имодействия в устройствах на поверхностной волне, идеально со­ гласованных на концах, может быть проведен методами теории ди­ фракционного излучения [252]. Вывод энергии и обратная связь обеспечиваются антенным механизмом переизлучения поверхност­ ной волны в объемную. Диаграмма направленности излучения вы­ ходной секции имеет много лепестков, причем главный направлен по потоку и отвечает за вывод СВЧ-энергии наружу, а один из на­ правленных назад вторичных лепестков малой амплитуды обеспе­ чивает обратную связь.

По мере увеличения энергии электронов область переизлуче­ ния поверхностной волны в объемную захватывает все пространст­ во взаимодействия. Структура поля электродинамической системы не сводится к структуре поверхностной волны, в круглом волново­ де она определяется многими объемными модами. В этом случае можно говорить о многоволновом излучении из секций, а от гене­ ратора поверхностной волны можно перейти к многоволновому черенковскому генератору [253].

3.2.7 Убитроны и лазеры на свободных электронах

Среди приборов слаборелятивистской электроники особое мес­ то занимает убитрон, действие которого основано на взаимодейст­ вии периодического электронного потока с быстрыми волнами гладкого волновода [254]. Периодичность траекторий создается знакопеременной магнитной фокусировкой потока в системе по­ стоянных магнитов. Усиление волны происходит на частоте о, от­ личающейся от частоты осцилляции £2 = 2n u jd на величину допле­ ровского сдвига

где d — период осцилляций.

Убитрон первоначально не вызвал особенного интереса в элек­ тронике больших мощностей. В то же время принципы его дейст­ вия нашли применение в релятивистских системах, где переход кг большим энергиям электронов существенно увеличивает доплеров­ ский сдвиг частоты колебаний. С помощью релятивистского убитрона получены колебания инфракрасного и оптического диапазон нов. Устройства типа убитрона, действующие в оптическом диапа­ зоне, получили название лазеров на свободных электронах (ЛСЭ) [25]. В дальнейшем появились аналоги ЛСЭ в СВЧ-диапазоне, их иногда называют мазерами на свободных электронах (МСЭ).

сплошной электронный поток при больших токах 1Ь отличается большим провисанием потенциала и резко сниженной эффектив­ ностью взаимодействия. Провисание зависит от микропервеанса по­ тока iV Если не учитывать релятивистские поправки, то статиче­ ское провисание потенциала в потоке AU выражается как

Для сильноточных сплошных потоков микропервеанс оказыва­ ется слишком большим. Например, в слаборелятивистской области при напряжении 300 кВ и токе 1 кА = 30 А •В“3/2, что превы­ шает допустимые пределы, так как соответствует расслоению пото­ ка в процессе взаимодействия. Отметим, что важно не только ста­ тическое, но и динамическое провисание потенциала, которое мо­ жет превышать первое в несколько раз. Исследование мощного многорезонаторного клистрона (см. разд. 3.1.1) показало, что сплошной поток следует разделять на большое число узких пото­

каждый из которых характеризуется микропервеансом луча меньшим суммарного микропервеанса потока на число лучей Ал, и провисанием потенциала распределенного потока

Для простоты будем пользоваться нерелятивистскими формулами, однако качественно результаты будут справедливы и для электрон­ ных пучков релятивистских энергий. В случае трубчатого пучка, прилегающего к металлической поверхности, провисание потенциа­ ла ослаблено, т. е.

где г2 и г\ — наружный и внутренний радиусы потока, R — радиус трубы дрейфа. Первые два слагаемых выражают провисание по­ тенциала в потоке, третье — провисание между внешней границей потока и стенкой трубы дрейфа. При ri = 0 и Г2 — R получаем

формулу (3.8) для провисания в сплошном потоке, прилегающем к стенке трубы дрейфа. В трубчатом потоке малой толщины п -*■ гг провисание мало и можно пренебречь разбросом скоростей по сече­ нию. Однако слишком узкий поток также не оптимален для эф­ фективного энергообмена между частицами и полем. В узком пото­ ке существенно увеличены относительные значения плазменной ча­ стоты потока (Dp/cD и велик параметр ko убывания кулоновских сил с расстоянием. В то же время из теории клистронов [231] извест­ но, что параметры пространственного заряда должны оптимально

соотноситься между собой для реализации нелинейного плазменно­ го колебательного процесса. Увеличение сил пространственного за­ ряда и малый радиус их действия Arq ~ 1//со нарушают коллектив­ ный процесс в области электронного сгустка, приводящий к тор­ можению подлетающих частиц, уменьшению переменных состав^ ляющих их скоростей и получению сгустка с малым разбросом медленных скоростей электронов. Обычные значения радиуса дей­ ствия сил пространственного заряда

чатый поток разделить по углу на участки длиной Дгд, то получа­

Очевидно, что выбором эквивалентного числа лучей можно снизить микропервеанс эквивалентного луча и, следовательно, провисание потенциала до уровня, соответствующего малым статическому и динамическому разбросам скоростей.

В приборах с продольным взаимодействием стремятся перехо­ дить к пространственно-развитым многолучевым потокам, причем каждый из лучей проходит в своей трубе дрейфа (рис. 3.6, а), В электронике гироприборов нашли применение широкие трубча­ тые поливинтовые потоки с диаметром, превышающим длину вол­ ны (рис. 3.6, б). В ГДИ используются ленточные потоки шириной в несколько длин волн и многоструйные пучки (рис. 3.6, в), В си­ стемах с сеточным управлением током также применяются много­ струйные электронные пучки в общем канале дрейфа. Все эти ме­

тоды могут быть перенесены в релятивист­ скую сильноточную электронику.

Применение сильноточных пучков обус­ ловливает особенности реализации СВЧ-уст- ройств релятивистской электроники. Различ­ ные элементы пространственно-развитой элек­ тродинамической системы могут быть сильно связаны по полю и участвовать в формиро­ вании общего поля моды, либо они связаны достаточно слабо и тогда можно говорить о большом числе одномодовых систем, действую­ щих в режиме взаимной синхронизации. Вза­ имная синхронизация одномодовых парциаль­ ных генераторов при наличии общих потерь на излучение вызывает сужение спектральной линии, пропорциональное числу генераторов, и

Рис. 3.6. Пространственнсйраспрецеленные потоки.