книги / Релятивистские многоволновые СВЧ-генераторы

пизмом потока с полем неустановившейся волны одной моды 2?<и. Многоволновые гибридные режимы излучения в коротких сек­ циях на частотах «2я», «Зя», ...-видов характеризуются возбуж­ дением многих объемных волн. В частности, в короткой односек­ ционной структуре вблизи «2я»-вида связаны между собой две поверхностные волны, две объемные волны, направленные почти нормально к поверхности, и ряд объемных волн, появляющихся из-за переменной, зависящей от потока структуры полей. В зави­ симости от ускоряющего напряжения реализуются усложненные дополнительным объемным излучением режимы Л БВ -РД Г, ЛОВ-

лучения на ускорителе «Гамма» были исследованы различные ва­ рианты одно- и двухсекционных генераторов комбинированного типа [261]. В односекционных структурах реализовывались режи­ мы взаимодействия пучка и поля вблизи «я»-, «2я»-видов, ЛБВ,

» 2 —4. Исследованные режимы оказались неэффективными, полу­

уменьшению стартового тока СВЧ-генератора и соответственно к ограничению энергетических параметров используемых электрон­ ных пучков и генерируемой мощности. Эффективным способом управления величиной стартового тока является введение труб дрейфа, т. е. секционирование электродинамической структуры. Секционирование позволяет наряду с возможностью регулировки обратной связи в генераторе повысить его КПД.

Электродинамическая структура МВЧГ содержит две секции

ровки обратной связи в пространстве дрейфа могут устанавливаться поглотители СВЧ-излучения дифракционного типа. Такими погло­ тителями могут служить, например, диафрагменные линии, где расстояние между диафрагмами равно периоду диафрагмирован­ ных волноводов секции. В МВЧГ, как уже отмечалось^ использу­ ется взаимодействие пучка с полем неустановившейся из-за малой

длины секций поверхностной волны вблизи частоты «я»-вида низ­ шей полосы прозрачности. В полосу синхронизма могут попадать

В первой секции реализуется преимущественно ЛОВ режим и осу­ ществляется модуляция электронов пучка по скорости. В прост­ ранстве дрейфа электроны группируются в сгустки. Во второй секции реализуется преимущественно режим ЛБВ с эффективной передачей энергии сгустков в электромагнитное поле. Такое разде­ ление функций в достаточной степени условно, так как и модуля­ ция электронов в первой секции, и энергоотбор во второй сопро­ вождаются группировкой электронного потока в сгустки. Однако-^

диаграмму направленности типа антенны бегущей волны. Из вто­ рой секции оно попадает в первую и осуществляет обратную связь в генераторе. Генерация излучения в любой отдельно взятой сек­ ции отсутствует. Оптимизация МВЧГ на предельный по мощности: режим генерации осуществляется в процессе многофакторного эксперимента. Оптимизируются длины секций и трубы дрейфа,, полная длина структуры, расстояние между пучком и структурой, магнитное поле, системы сопряжения на входе и выходе структу­ ры, плотность тока пучка.

МВЧГ является эффективным источником СВЧ-излучешщ в силу реализации в выходной секции распределения высокочастот­ ного поля, соответствующего режиму ЛБВ, и клистронного меха­ низма группировки, позволяющего получать компактные сгустки с малым разбросом электронов по скоростям. Существенная особен­ ность МВЧГ по сравнению с другими многоволновыми генератора­ ми, содержащими сверхразмерные структуры,— простота фиксации частоты и геометрии диаграммы направленности излучения. Ниже

asm

венными гармониками поля замедляющей структуры осуществля­ лось в ЛОВ-режиме вблизи «я»-вида основных полос нескольких мод сверхразмерного волновода (Еои Е Н ц, . . . ) . В однородной длинной структуре L = 231 на переднем фронте импульса напря­ жения генерировалось излучение с длиной волны X = (3,3 ± ОД) см. Диаграмма направленности (рис. 5.5), поляризация и длина вол­ ны излучения соответствовали моде 2?оь Стартовый ток генератора

рованной структуре МВЧГ генерировалось излучение в более ши­ роком диапазоне длин волн X = 3,07—3,42 см. При мощности 200 МВт Тсвч достигала 0,5—0,6 мкс. Характерные осциллограммы импульсов напряжения, тока коллектора и электромагнитного из­ лучения МВЧГ приведены на рис. 5.6. В диаграмме направленно­

(рис. 5 .7, б) имеет минимум, соответствующий поглощению излу­ чения электронным потоком при синхронизме встречных волн с быстрой циклотронной волной [321]. Сравнение зависимостей Р {Во) (рис. 5.7,6) и тсвч (-Во) (рис. 5.7, в) показывает, что увели­ чение магнитного поля от 19,6 до 20,4 кГс приводит к увеличению мощности в 6 раз при близких значениях длительности Тсвч « 0,5— 0,6 мкс. Дальнейшее увеличение магнитного поля приводит к сла­ бому ( ~ 2 0 %) уменьшению мощности, в то время как тСвч умень­ шается в ~ 4 раза. Увеличение тока пучка в ~ 2 раза при том же напряжении на диоде привело практически к срыву генерации. Все

электромагнитным полем вблизи <<я»-вида. При этом усиливается влияние электронной на'грузкй, что и могло привести к сужению спектра. Увеличение напряжения на Диоде от 1,9 До 2,5 МВ при­ вело к росту мощности от 2 —3 до 5 ГВт при длительности им­ пульса Тсвч ~ 30— 50 нс. КПД генератора возрастал с увеличением напряжения на диоде (энергии электронов) до 10% . Использова­ ние диафрагменной линии с дифракционными потерями излучения

В экспериментах регулировался диаметр пучка (расстояние между пучком и структурой). Использовались секционированные струк­ туры с различным соотношением длин секций и трубы дрейфа, а также однородные структуры. Каждый из вариантов структуры оптимизировался по току пучка и магнитному полю.

Выполненные исследования позволили реализовать МВЧГ на длине волны Я « (3 ,1 5 ± 0 ,1 ) см с выходной мощностью до 15 ГВт, КПД « 5 0 % и длительностью импульса по основанию тСвч ~ 60 нс:

при изменении диаметра пучка. В указанном выше диапазоне па­ раметров максимальная мощность, получаемая в генераторе с од­ нородной структурой, была на порядок меньше, чем в МВЧГ, и не* превышала 1 ГВт.

Приведем основные результаты исследований МВЧГ в режиме* максимальной мощности. Типичные осциллограммы для этого ре-

жима приведены на рис. 5.10. В диа­ грамме направленности излучения (рис. 5.11) присутствует излучение

6с 0- и ф-поляризациями. Распреде­ ление с 0-поляризацией является близким к распределению, соответст­ вующему моде Ет круглого волно­ вода. Наличие двух поляризаций

электрического поля, а также боль- S шой разброс мощности, регистрируе-

?мой в центре диаграммы направлен­ ности, по-видимому, обусловлены

нарушением аксиальной симметрии электронного пучка в процес­ се генерации. Отклонение диаграммы направленности от аксиаль­ но-симметричной может составлять 20 — 30 %. Мощность излуче­ ния с 0-поляризацией в ~ 2 раза больше, чем с ф-поляризацией. С уменьшением мощности генератора доля излучения с ф-поляри-

павшей в измерительный тракт. Оценочные расчеты естественной ширины спектров показали, что основная мощность сосредоточена в пределах основного лепестка, а характерные ширины на полувы­ соте вычисленных (« 0 ,2 —0 ,5 % ) и измеренных f « 0 ,5 % ) спект­ ров хорошо согласуются. Это свидетельствует о высокой монохро­ матичности генерируемого излучения.

действия потока и поля. Для данной энергии электронов при опре­ деленном положении потока достигается оптимальная связь, кото­ рая характеризуется локализацией максимума первой гармоники;

пучка (а) и магнитного поля (б).,

а : 1 — U —1,8 МВ, 1Ь = 13 KAÎ 2 — 1 7 - 2 , 1 МВ, 1Ъ = 15 кА‘, BQ= 2 4 ,5 кГс; б: С/= 2,1 МВ,. lb — 15 кА, гъ!гъ т ю :~ 0>94; 1 — плавное соединение волновода с первой секцией эле­

ктродинамической структуры. 2 — скачкообразное.

'тока во второй секции и насыщением выходного сигнала в конце •замедляющей структуры. При отклонении пучка от оптимального положения максимум первой гармоники может приходиться на область вне второй секции и мощность генерации падает.

Зависимость мощности СВЧ-излучения от магнитного поля приведена на рис. 5.13, б. Пульсация кривой 1 показывает сущест­ венное влияние магнитного поля на энергообмен в системе. Это влияние типично для режимов комбинированного типа с сочетани­ ем черенковского взаимодействия и циклотронного резонанса, в частности, циклотронного поглощения и усиления МЦР на ано­

нии согласования она падает. В .частности, резкое изменение диа­ метра волновода на входе первой секции уменьшило мощность ге­ нерации (кривая 2, рис. 5 .1 3 ,6 ). Возможность получения опти­ мального энергообмена при минимальных добротностях является

тродинамической системы диафрагмы закрывались наполовину по азимуту металлическими листами. Волновое поле визуализирова­ лось с помощью табло из люминесцентных ламп, светящихся под воздействием СВЧ-излучения. Сравнивались картины свечения без и при наличии экранировки диафрагм. При наличии экранировки наблюдалась азимутальная локализация свечения со стороны, про­ тивоположной месту расположения неэкранированных диафрагм. Эта картина слабо зависела от того, экранируется первая или вто­ рая секция, или обе сразу с одной стороны. При экранировке раз­ ных секций с противоположных сторон генерация не возникла. Эти "факты соответствуют механизму излучения типа антенны поверх­ ностной волны. Они свидетельствуют об определяющей роли волн, распространяющихся вблизи поверхности элементов электродина­ мической системы, в реализации обратной связи, а также о су­ щественной азимутальной локализации электронно-волнового взаи­ модействия в МВЧГ.

Следует отметить, что генерирование гигаваттных импульсов СВЧ-излучения в МВЧГ с D/к ~ 3 —5 сопровождалось рядом фи­ зических процессов, таких как образование плазмы на поверхно­ сти структуры, разрушение пучка и эрозия структуры, генерация длинноволнового излучения и т. д. Эти процессы будут рассмот­ рены отдельно.

5.3.2. МВЧГ восьмимиллиметрового диапазона длин волн

Дальнейшее пространственное развитие (D/X « 13) электроди­ намической структуры реализовано в МВЧГ миллиметрового диа­ пазона длин волн [320]. При этом исследовалось взаимодействие пучка и поля в ЛБВ и ЛОВ-ЛБВ («я»-вид) режимах. Режимы подбирались путем изменения геометрии диафрагм. В эксперимен­

ры высотой ho = 0,8 мм. Напряжение на диоде и ток пучка регули­ ровались в пределах U = 0,9—2,1 МВ, / ь = 7— 15 кА. Предвари­ тельные расчеты показали, что дисперсионные характеристики поверхностных волн, соответствующих модам Ео\, Е Н ц —ЕНц ци­ линдрического волновода, сливаются и отделены от дисперсионных кривых мод объемного поля характерным интервалом, дающим возможность обеспечить условия селекции.

Режимы ЛБВ были реализованы в двухсекционных структу­ рах с радиусом скругления диафрагм го = 1,0 и 1,2 мм. Оптимиза­ ция МВЧГ позволила получить импульсы СВЧ-излучения мощ­

с го= 1,2 мм максимальная мощность 3 ГВт наблюдалась на длине

пользовании секций с одинаковым периодом, но с разными диафраг­

за несколько импульсов, то нестабильность амплитуды напряжения могла привести к дополнительному уширению спектра. Измеренное

обусловлен разъюстировкой пучка в электродинамической структу­ ре. Интенсивность составляющей £ ф быстро падает с ,увеличением угла 0, и ее интегральное значение не превышает 10 % от полной мощности. Изменение напряжения в пределах 0,9 — 1,3 МВ позво­

чем для МВЧГ в ЛБВ режиме, что потребовало укорочения секций электродинамической структуры и увеличения зазора меж­ ду структурой и пучком для запуска генератора в момент макси­ мальных значений напряжения и тока. Структура электрического поля излучения аналогична структуре поля для режима ЛБВ. Спектральные измерения в различных участках диаграммы и для 0- и <р-поляризации с шагом перестройки полосно-пропускающего фильтра 0,05 % показали идентичность контуров спектральных ли­ ний. При изменении напряжения на диоде в пределах 0,9— 1,3 МВ длина волны излучения изменялась на 0,2 %. Согласно оценкам,

ностью импульса. Это указывает на высокую степень временной когерентности излучения МВЧГ с D/X « 13.

Чтобы генератор работал в режиме ЛОВ-ЛБВ с аксиально­ симметричным типом колебаний, требуется более тщательная на­ стройка, чем в режиме ЛБВ. Если длины секций генератора и диа­ метр пучка отличны от оптимальных, наблюдалась генерация в широком спектре частот. Диаграмма излучения представляла собой