книги / Релятивистские многоволновые СВЧ-генераторы

установление единого процесса колебания с определенной фазой [258, 259]. Автогенераторы могут быть пространственно разделе­ ны, например, включены в кольцевую или линейную линии переда­ чи [230]. Число одномодовых генераторов Nэ определяется числом лучей пространственно-развитого потока Ал, числом эквивалентных лучей или другими факторами. Как правило, эквивалентный одно­ модовый генератор состоит из нескольких секций с глубокой обрат­ ной связью между ними (см. рис. 3 .1 , а).

Следует подчеркнуть, что общее число лучей Ал пространст­ венно-развитой системы отличается от числа эквивалентных синх­ ронизованных между собой парциальных генераторов Nэ. Такое от­ личие типично для приборов электроники больших мощностей, где нашли широкое распространение многолучевые усилители и гене­

Ау может быть существенно меньше общего числа лучей Ал. Ана­ логичная ситуация может реализоваться и в релятивистской силь­ ноточной электронике. Например, число эквивалентных взаимносинхронизованных генераторов N'\ на которые разбивается РГП В или МВЧГ на трубчатом потоке большого диаметра, меньше числа эквивалентных лучей Ал, выбранного с точки зрения оптимизации группирования и энергообмена по степени снижения статического или динамического провисания потенциала.

С точки зрения электродинамических процессов в мощных и сверхмощных электронных устройствах, переход к пространствен­ но-развитым потокам возможен для одномодовых или многомодо­ вых электродинамических систем. В электронике больших мощно­ стей такой переход для одномодовых «холодных» систем позволяет увеличить общий ток 1Ъи снизить рабочее напряжение U. В част­ ности, рабочие напряжения многорезонаторных клистронов сниже­

ритные характеристики порядка 1 кВт/кг. Повышение напряжения с целью увеличения выходной мощности приборов практикуется только тогда, когда дальнейшие резервы пространственного разви­ тия оказываются исчерпанными. Например, в клистронах и ЛБВ на многолучевых потоках увеличение числа лучей имеет предел, определяемый поперечными размерами емкостного зазора резона­

снижения микропервеанса единичного луча до оптимального зна­ чения = 0,1 — 0,3 А •В _3/2 в гиротронах и ГДИ с пространст­ венно-развитым потоком и многомодовой электродинамической си­ стемой выбор эквивалентного числа лучей Ал определяется радиу­ сом действия сил пространственного заряда, а параметр лростран-

ствениого развития электродинамической системы Аэ можно соот­ нести с числом длин волн, укладывающихся на диаметре потока. Увеличение поперечных размеров (параметра Аэ) в гиротронах и гди имеет предел, связанный с трудностями решения проблемы селекции мод. При определенных физических и технических сред­ ствах селекции дальнейшее возрастание мощности обусловлено уве­ личением ускоряющего напряжения U. В частности, возникли ре­ лятивистские варианты гиротронов [242] и релятивистские генера­ торы дифракционного излучения [236].

В релятивистской электронике также возможны два направле­ ния развития генераторов и усилителей сверхбольших мощностей. При использовании ускорителей прямого действия и ограничении

го тока 1Ъили же более полного использования уже имеющихся токов сверхмощных сильноточных ускорителей 0,1— 1 MA. Другое направление развития обусловлено увеличением энергии электро­ нов до десятков и сотен мегаэлектронвольт. Первый путь реализу­ ется при разработке многоволновых СВЧ-устройств, второй типичен для сверхмощных лазеров на свободных электронах инфракрасного

исветового диапазонов.

Вгенераторах СВЧ могут быть получены релятивистские

большие параметры пространственного развития Ал и Аэ. Оценим мощности СВЧ-устройств в предположении, что работа устройства большого диаметра устойчива при полной пространственной и вре­ менной когерентности электромагнитного поля. С точки зрения использования потока речь идет о выборе параметра пространст­ венного развития Ал. Если трубчатый электронный поток может быть разделен на большое число одинаковых эквивалентных лучей Ал, то мощность СВЧ-излучения, согласно (3.2),

(см. рис. 3.7). При таких напряжениях переход к мощности поряд­ ка 1 ТВт требует увеличения степени пространственного развития

димому, не может быть решена с помощью одного трубчатого по­ тока. Для такого потока удельная Руд и полная Р СВЧ-мощности ограничены значениями

ков и генераторы СВЧ-излучения с явно выраженными направлен­

начает в случае одного потока неудовлетворительное использование внутреннего объема электродинамической системы и соленоида. Если взять Db= 1 м и А^о = 10 , то появляется надежда на получе­ ние излучения с мощностью порядка 1 ТВт.

Если параметры пространственного развития заданы, то диаг­ рамма (см. рис. 3.7) ясно указывает альтернативный путь увели­ чения мощности СВЧ-излучения, связанный с увеличением энер­ гии электронов. Например, может быть применен однолучевой по­ ток, а напряжение повышено до 10— 100 МВ. Однако возникающие при этом технические сложности (громоздкие ускорители, сложные системы транспортировки потоков и т. д.) делают этот путь при­ годным прежде всего для устройств, в которых существенны реля­ тивистские факторы, например доплеровское . преобразование частоты.

По-видимому, для каждого уровня применяемого напряжения следует пытаться достичь максимального пространственного разви­ тия потоков. Следует увеличивать диаметры релятивистских труб­ чатых электронных пучков, формируемых при напряжениях 1 — 3 МВ, и электродинамических систем. Ограничивать степень про­

ной когерентности излучения из-за неполной синхронизации полей во всем объеме.

Для получения сверхмощного СВЧ-излучения (0,1 — 1 ТВт) необходима большая степень пространственного развития (Л^л > 1 и диаметр потока Db~ 1 м). Она далека от достигнутой в лазерах

жимыми в перспективе и в релятивистской электронике.

3.4. ПРОСТРАНСТВЕННОЕ РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ СИСТЕМ СВЕРХМОЩНЫХ СВЧ-УСТРОЙСТВ

Предположим, что релятивистский электронный поток прост­ ранственно развит, параметры обтэемного заряда в нем оптималь­ ны, он не разрушается и в нем не возбуждаются паразитные неус­ тойчивости. В этом случае предельные мощности СВЧ-излучения и импульсные энергии СВЧ-поля определяются предельными на­ пряженностями СВЧ-поля на поверхности электродинамической си­ стемы. В зависимости от длины волны излучения, конфигурации и материала стенок, а также других факторов развиваются СВЧ-лро- бои, вторичный электронный разряд и перегрев стенок. Использо­ вание гладких поверхностей, специальных материалов и покрытий, наложение внешнего магнитного поля снижают вероятность СВЧпробоев и вторичного разряда. Но даже если эти факторы устране-

||ы, нельзя исключить поглощения СВЧ-поля в стенках ввиду ко­ нечной проводимости металла. В итоге поверхность перегревается излучением, после чего появляются вторичные эффекты, которые могут закончиться разрушением поверхностного слоя стенок или срывом СВЧ-генерации.

Существует несколько способов оценки предельной мощности излучения пространственно-развитых устройств. В релятивистской области оценка может базироваться на возможности излучения ча­ стицами по направлению движения. Пусть в результате излучения релятивистских сгустков образуется направленный вперед поток электромагнитного излучения с групповой скоростью, близкой к скорости света. Этот поток может быть пристеночным, как в гене­ раторах поверхностной волны, или объемным, как в генераторах синхротронного излучения [160, 256]. Плотность потока мощности при Угр ~ с

В СВЧ-электронике при длительностях импульса порядка микросе­

с таким эффективным поперечником представляет собой весьма трудную техническую задачу.

Проблемы создания электродинамических систем упрощаются при малых длительностях импульса т Свч = 10 — 100 нс. При дли­ тельностях порядка 10 нс допустимы напряженности поля Е =• = 300 кВ/см и плотности мощности 0,1 ГВт/см2. Соответствующий эффективный поперечник может быть уменьшен на порядок, т. е.

Мощные приборы СВЧ-электроники имеют большие попереч­ ные сечения. Например, электродинамическая система клистрона 10 -сантиметрового диапазона имеет диаметр порядка 10 см, резона­ торы дециметровых приборов — десятки сантиметров, а СВЧ-источ- ники для ускорителей — порядка 1 м [228]. Эффективные сечения

51ф~ 1 м2 следует считать стандартными в электронике сверхболь­ ших мощностей.

Значение эффективного параметра N3 определяется физически­ ми и техническими решениями конструкций электродинамических систем. Если система состоит из большого числа связанных по по­ лю парциальных СВЧ-приборов: клистронов, ЛБВ и др., то пара­ метр пространственного развития N'J принимается равным числу этих приборов. В парциальных усилителях он равен числу лучей

Na. В релятивистских системах с трубчатым потоком параметр А9 определяется неоднозначно и зависит от типа взаимодействия. Так, в генераторах поверхностной волны и многоволновых черепковских генераторах можно' рассматривать своего рода генерирующие по­ лоски с поперечными размерами в тангенциальном направлении А1± ~ (1 — 3)À. Процессы в пределах полоски можно анализировать в приближении плоских моделей потока и замедляющей структу­ ры. Анализ связи колебаний требует решения задачи о взаимной синхронизации автогенераторов.

В системах с аксиально-симметричным потоком, как правило, возбуждаются аксиально-симметричные электромагнитные поля. Они отвечают условию наиболее эффективного взаимодействия по­ тока и поля. Известны аксиально-симметричные поля устройств на продольном взаимодействии (клистронов, ЛБВ) и гиротронов. Воз­ буждение аксиально-симметричных нолей трубчатых потоков не сводится к решению проблемы селекции моды. Речь идет о таком взаимодействии потока и поля, чтобы эффекты взаимной синхрони­ зации привели к самовозбуждению симметричных колебаний. С самого начала очевидно, что это возможно для минимальных стартовых токов. Отсюда следует, что в импульсных релятивист­ ских генераторах поток должен быть максимально удален от структуры, а изменение тока пучка меняет взаимное расположение импульсов тока и СВЧ-генерации во времени. Возможен еще один вывод: в случае неоднородных пучков возбуждаются несимметрич­ ные колебания, что отразится на пространственной и временной когерентности СВЧ-излучения.

Электронный поток может взаимодействовать с поверхностной волной, стелющейся на удалении Ar ~ X. В этом случае эффектив­ ный поперечник Sd± = nDAr ~ nDX. Если D > X, то внутреннее

заполнение структуры неэффективно. При достаточном заполнении внутренней области эффективный поперечник становится близким к реальному поперечнику электродинамической системы. В такой

дущей оценкой (см. разд. 3.3).

Для взаимной синхронизации большого числа автогенераторов следует обязательно связать их через поле излучения, которое яв­ ляется полем общих потерь. Как следует из общей теории синхро­ низации [258— 260], связь через общие потери приводит к уста­ новлению синхронного колебания с единой фазой и с суженной спектральной линией излучения. В сверхразмерных электродинами­ ческих системах условия фазированного сложения полей улучша­ ются при переходе к открытым устройствам, отличающимся боль­ шими радиационными потерями: открытым резонаторам и откры­ тым волноводам. Открытые резонаторы используются в РГПВ, МВЧГ, РГДИ, МВДГ и других устройствах [261]. Открытые вол-

поводы с потерями применяются в синхротронных мазерах на цик­ лотронном авторезонансе [160].

Сверхмощные пространственно-развитые генераторы являются специфическими устройствами, в которых структура мод задается электронным потоком. Моды системы без потока могут иметь низ­ кую добротность, в такой системе могут вообще отсутствовать резо­ нансные колебания. В этом принципиальное отличие пространст­ венно-развитых систем многоволновых генераторов релятивистской электроники.

3.5. СВЯЗЬ ВОЛН ПОТОКА и ПОЛЯ В ЧЕРЕНКОВСКИХ ГЕНЕРАТОРАХ

НА ПРОСТРАНСТВЕННО-РАЗВИТЫХ СИСТЕМАХ

Существенное увеличение мощности и энергии СВЧ-излучения требует использования широких трубчатых пучков и сверхраз­ мерных волноводов с большими диаметрами (2) > Я ) , при не­ обходимости электронной селекции мод, или принципа дифракци­ онной самофильтрации паразитных мод, формирования определен­ ного распределения электромагнитного поля за счет многоволново­ го механизма взаимодействия.

Как уже указывалось, эффективный способ взаимодействия обусловлен преимущественной связью медленных волн потока с полями аксиально-симметричных колебаний в периодических вол­ новодах на частоте, примыкающей к «я»-виду границы полосы прозрачности. Физические процессы связи усложняют картину черенковского взаимодействия, присущего системе, действующей в кинематическом режиме. При релятивистских энергиях и больших токах электронных пучков возникают характерные многоволновые процессы при направленном излучении сгустков.

Несмотря на многообразные процессы связи потока и поля, ос­ новная закономерность, отвечающая синхронизму потока и поля, сохраняется. Синхронное поле волны присуще электродинамиче­ ской системе как искусственной среде. В этом смысле излучение электрона можно считать черенковским, а сами источники СВЧ-из­ лучения — черенковскими источниками. В зависимости от парамет­ ров потока и структуры, прежде всего тока пучка и ускоряющего напряжения, можно различать разные варианты черенковского из­ лучения потока. TjaK, при напряжениях 300— 500 кВ используют синхронное взаимодействие поверхностной волны и потока, реали­ зуемое в РГПВ (см. разд. 3.1.5.).

По мере уменьшения поперечных размеров структуры, взаимо­ действие с поверхностной волной переходит во взаимодействие с модами периодических электродинамических систем традиционной электроники, причем возникают режимы ЛБВ и ЛОВ. Для сопо­ ставления с достижениями релятивистской электроники важны ха­ рактерные режимы, реализуемые в ЛБВ на цепочке связанных ре­ зонаторов (ЛБВ ЦСР), в том числе режимы большой электронной нагрузки, нефиксированной продольной структуры полей, взаимо-

Рис. 3.8. Эквивалентная схема замедляющей системы секции МВЧГ для поверхностной волны, связанной с потоком в зазора^ продольного и поперечного вза­

легко проявляются закономерности, обусловленные нефиксирован­

электронов и электромагнитного поля периодической системы, при­ чем структура поля зависит от электронного потока и определяет­ ся его излучением. Черенковские усилители или генераторы с по­ вышенной эффективностью взаимодействия содержат секциониро­ ванную электродинамическую систему. В общем случае в МВЧГ, как и в других устройствах, можно выделить модулятор, усилитель, нелинейный группирователь и выходную секцию (отбиратель или излучатель СВЧ-энергии) (см. рис. 3.1).

Некоторые особенности связи потока и поля у «л»-вида грани­ цы основной полосы прозрачности могут быть рассмотрены без электродинамического описания с применением периодической эк­ вивалентной импедансной схемы с положительной дисперсией ну­ левой пространственной гармоники (рис. 3.8). Поперечное и про­ дольное взаимодействие описывается в эквивалентных зазорах ко­ эффициентами связи М± и Л/ц. Эти коэффициенты определяют ско­ ростную модуляцию потока и наведенный ток, созданный попереч­ ным и продольным смещением зарядов. На концах импедансной цепочки включены граничные нагрузки Ro и R H. На входе включе­ на также ЭДС <S§, моделирующая условия воабуждения цепочки по входному тракту.

В самом простом варианте взаимодействия при чисто продоль­ ном смещении заряда М± = 0 и между собой связаны четыре (вол­ ны: медленная (МВПЗ) и быстрая (БВПЗ) волны пространствен­

ного заряда, прямая Е ^ и обратная Е^х волны структуры. Особен­

ности взаимодействия в длинной цепочке иллюстрируются диспер­ сионными характеристиками (рис. 3.9), относящимися к синхро­ низму вдали от границы полосы (рис. 3.9, а) и у граничной часто­ ты «л»-вида (рис. 3 .9 ,6 ). Они показывают, что, с точки зрения волновой картины, заполнение электродинамической системы двит жущейся электронной плазмой меняет постоянные распростране­ ния и граничные частоты полосы прозрачности. Тройная точка «я»-вида смещается от границы (пунктир) в отсутствие потока

Рис. 3.11. Распределение амплитуды поля вдоль идеально согласованной на концах секции ЛБВ ЦСР для нескольких значений коэффициента продольного взаимодействия Л/ц (а) и частотная зависимость усиления К (б) в идеально согласованной на концах (R0 = Лн = RB) и рассогласованной на выходе (Ra = 1,2 Яв) секциях.

действие не может быть исследовано на основе дисперсионных ха­ рактеристик без учета граничных условий, так как некоторые комплексные корни соответствуют одновременно режимам ЛБВ, МЦРАД, реактивного затухания и обратной связи.

Тесная связь прямой и обратной волн означает, что в системе реализуются одновременно волновой и колебательный режима с внутренней обратной связью, что соответствует электронному резо­ натору. В этом случае обязателен учет конечной длины секции волновода. Существенно еще одно обстоятельство: система, идеаль­ но согласованная на концах в отсутствие потока, становится резо­ нансной при его включении. Рассмотрим результаты расчетов рас­

дают горизонтальную прямую зависимости мощности от продоль­

волны, появляется резонанс. По мере увеличения М{] электронная нагрузка растет, все больше волн системы отражается от концов секции, амплитуда стоячих волн увеличивается. Стоячие волны влияют на взаимодействия типа ЛОВ и ЛБВ, изменяют картину поля и при повышенных Д/и начинают определять характер взаи­ модействия. При некотором коэффициенте связи, большем крити­ ческого (стартового), в секции начинается самовозбуждение коле­ баний за счет внутренней обратной связи. Частота генерации опре­ деляется свойствами электронного волновода (рис. 3.11, б). В точ­ ке, соответствующей усилению К <», находят частоту новой гра­ ницы полосы прозрачности с учетом влияния электронного потока.

В приведенных рассуждениях, относящихся к черенковскому взаимодействию с бегущими и стоячими волнами, есть существен­ ный момент, касающийся теоретического описания процессов в уст­ ройствах. В системе одновременно реализуются волновые и колеба-