книги / Релятивистские многоволновые СВЧ-генераторы

Рис. 5.25. Распределение продольного электрического поля поперек плоского

бенности полей в ограниченных структурах. Одновременно с возра­ станием доли поверхностного поля в структуре формируются приосевые лучевые потоки энергии. Эти потоки могут быть интерпре­ тированы и как излучение поверхностных волн с ограниченной ан­ тенны, и как расплывание волнового пучка в структуре при распро­ странении между стенками с последующим высвечиванием за счет возникновения новых распространяющихся гармоник.

Структура электромагнитного поля в ограниченной системе ис­ следовалась численно на основе методики [325]. Процессы в элек­ тронном потоке описывались в рамках линейного приближения, электромагнитное поле разлагалось по ортогональным функциям поперечного сечения, удовлетворяющим граничным условиям. Рас­ считывались диаграмма направленности излучения и распределение

f ( 0), отн. ед. / £ / П

Рис. 5.26. Диаграмма направленности излучения (а) и распределение продоль­ ного электрического поля поперек плоского волповода в сечении z = 81 (б).

поля Е г поперек системы при экспоненциальном изменении про­ дольного тока ~ exp(xz), где х — инкремент нарастания, опре­ деляемый численно (рис. 5.26). Режим взаимодействия выбирался вблизи частоты «2я»-вида. Диаграмма направленности излучения достаточно широка и амплитуды полей в дриосевой области значи­ тельны. Распределение поля Е г в поперечном направлении стано­ вится сложным и не сводится к одной моде периодического волно­ вода. В ограниченной структуре реализуется многоволновый режим взаимодействия на одной частоте со с несколькими модами, соотно­ шение между амплитудами которых определяется из решения крае­ вой задачи. Необходимо отметить, что форма диаграммы направ­ ленности излучения с максимумом под углом 10 — 12° к оси систе­ мы сохраняется и при взаимодействии с гибридными колебаниями.

полосы. Диаграмма направленности излучения была широкой и ее вид зависел от магнитного поля, особенно в области B Q== 24,5 —

— 31,5 кГс. Мощность излучения, выведенного в атмосферу, до­ стигала 500 МВт при длине структуры L = 20/. Длительность им­ пульса при этом составляла 100 нс. Полученная экспериментально частота генерации (длина волны) попадает в область резонансного возрастания амплитуд дифракционных гармоник (ом. рис. 5.23J. В этой области частот реализуются собственные колебания элект­ родинамической структуры, что позволяет осуществить эффектив­ ную обратную связь и отселектировать определенный вид колеба­ ний. Из дисперсионных характеристик использованного периодиче­ ского волновода (см. рис. 5.24) следует, что длина волны генери­ руемого излучения соответствует взаимодействию электронного ПО­

тока с полем поверхностной волны вблизи «2я»-вида (см. также рис. 5.25, д ) .

РДГ с двухсекционными электродинамическими структурами, аналогичными структуре МВЧГ, исследовались в миллиметровом диапазоне длин волн [241, 327]. Как и в МВЧГ, генерация СВЧизлучения в отдельно взятой секции РДГ отсутствовала. Переход от режима МВЧГ к режиму РД Г осуществлялся уменьшением стартового тока МВЧГ за счет уменьшения расстояния между пуч­ ком и структурой. При этом генерация, соответствующая «я»-виду, возникала на фронте импульса напряжения и вследствие малой мощности и длительности этого СВЧ-импульса не оказывала суще­ ственного влияния на работу РДГ.

Двухсекционный РДГ [327] имел диаметр структуры D = = 11,8 см и период неоднородностей, выполненных в виде полуторов, I = 4 мм. Ток пучка составлял 10— 17 кА при напряжении на диоде 1—2 МВ и длительности импульса 1 мкс. В результате

импульса СВЧ-излучения ограничивалась окончанием импульса на­ пряжения. При отключенном срезающем разряднике и меньшей амплитуде напряжения она достигала 1,8 мкс при выведенной в атмосферу мощности 0,4 ГВт. С учетом потери СВЧ-излучения в рупорной антенне с толстым полиэтиленовым окном электронный КПД генератора составлял 5 — 10% . В этих экспериментах было зафиксировано, что часть электронного тока (около 1 кА) попадает на поверхность структуры, частично разрушая ее. На наличие ин­ тенсивных процессов плазмообразования в структуре указывал рост сигнала с шунта обратного тока, обусловленный током «мед­ ленных» электронов, достигающим 10 кА. Выполненные исследова­ ния показали перспективность РДГ для получения гигаваттных им­ пульсов СВЧ-излучения микросекундной длительности.

леднее было сделано для увеличения длины волны излучения, что облегчало его диагностику. Ток пучка h = 15— 20 кА, напряжение на диоде U = 1— 2 МВ и магнитное поле В о ^ 14— 30 кГс были при^

между пучком и структурой позволила получить СВЧ-излучение в некоторой области частот около частоты «2я»-вида колебаний. На рис. 5.27 приведены типичные осциллограммы импульсов напря­ жения, тока коллектора и интенсивности СВЧ-излучения. По ре­ зультатам спектральных измерений СВЧ-излучения при различных магнитных полях можно выделить три частотных режима работы

Рис. 5.28. Экспериментальная (1) и расчетные (2) зави­ симости длины волны генерации от магнитного поля.

Ирушками отмечены длины волн, измеренные по пробою в ат­ мосфере.

Р7ГВт

го-

■0,5-

(рис. 5.29, а ). В длинноволновом режиме пиковая мощность излу­ чения, выведенного в атмосферу, достигала 3 —4,5 ГВт

лучения, выведенного в атмосферу, составила 1 ГВт, а электронный КПД — 8 %. Основная по мощности часть излучения выходит из генератора под углом 12— 13°, что согласуется с результатами чис­ ленного моделирования диаграммы направленности излучения в

Диаграмма направленности для второй части СВЧ-импульса приведена на рис. 5.29, д. Мощность излучения в атмосфере дости­ гала 400 МВт, а максимальный КПД — 2 %. Генерация наблюда­ лась при U = 0,1— 1,6 МВ.

В длинноимпульсном режиме с отключенным срезающим раз­ рядником на длине волны 6,5 мм при V = 1,5 МВ и #о = 28 кГс получены импульсы СВЧ-излучения длительностью 0,7 мкс с пи­ ковой мощностью и энергией в атмосфере соответственно 2,8 ГВт и 520 Дж. Энергия СВЧ-импульса на выходе генератора составля­ ет около 1 кДж. Наличие мощной и длительной генерации СВЧизлучения привело к ускоренному пробою диода и сокращению длительности импульса напряжения на диоде от 4 до 2,5 мкс.

5.4.3.Особенности взаимодействия РЭП

сэлектромагнитным полем в двухсекционном РДГ миллиметрового диапазона длин волн

Найденная экспериментально зависимость длины волны излу­ чения РДГ от индукции магнитного поля (см. рис. 5.28) свидетель­ ствует о том, что в исследованном устройстве важную роль могут играть резонансы, связанные с поперечным движением электронов

периодического волновода. Электродинамические соотношения мож­ но изобразить схематически с помощью дисперсионных характе­ ристик, полученных в рамках асимптотических оценок в интере­ сующей нас области частот (рис. 5.30).

Для экспериментально найденных частот генерации возможны несколько механизмов поперечного взаимодействия, определяющих резонансную частоту со ~ 2сов. Прежде всего, это взаимодействие при нормальном эффекте Доплера на двойной циклотронной ча­ стоте

со ( 1 —1Рг'/Рф) ~ п($п- п = 2,

Е ( ехр[—k(R - г)/р„тг] -

При этом неоднородность поля на ларморовской окружности радиу­ сом гл составляет

АЕС= гл grad IEJ = глк±Е сmax [1 — exp (—k rj$ {fl) ]

и при приближении потока к структуре на расстояние порядка À/8—к/ 10 из-за возрастания неоднородности поля возможна эффек­ тивная раскрутка электронов на второй гармонике циклотронной частоты. При такой раскрутке электроны попадают в область, где продольное и поперечное поля велики и энергообмен в поле, яв­ ляющемся суперпозицией однородной объемной и неоднородной по­ верхностной гармоник, может значительно увеличиваться за счет поперечного движения электронов потока.

Для исследования энергообмена релятивистского электронного потока с электромагнитным полем, имеющим объемную и поверх­ ностную гармоники, при транспортировке электронного потока в однородном магнитостатическом поле было проведено [241] числен­ ное моделирование методом крупных частиц. Численно методом Хемминга с автоматическим контролем точности решалась система дифференциальных уравнений (уравнений движения в трехмерном случае) :

= Но + Я вч, Но — напряженность фокусирующего магнитного поля.

Рис. 5.31. Эффективность энергообмена в структуре с комбинированным полем при рф= 0,87 (7 ), 0,9 (2 ), 0,913 (5 ), 0,925 (4) \а) и для отдельных типов

полей (б).

Напряженности Е вч и 27вч высокочастотного электромагнитного по­

вых скоростей синхронной гармоники электромагнитного поля. Здесь 7ог и 7* — релятивистские факторы, соответствующие началь­ ной и конечной энергиям электронов. Видно, что в узкой области значений v$ наблюдаются режимы с эффективным энергообменом (це « 40 % ) и большой протяженностью области взаимодействия со значительным КПД. Для сравнения на рис. 5.31, б приведены зависимости КПД для случая воздействия на электронный поток одной объемной волны (кривая 2), одной поверхностной гармони­ ки (кривая 2) и тестовый вариант (кривая 3) для чисто одномер­ ного движения (tfx^O ) при той же напряженности электрического поля поверхностной гармоники, что и для кривой 2. Необходимоотметить, что значительная раскачка поперечных колебаний на­ блюдается при отклонении объемной электромагнитной волны на угол, больший 5°. Из сравнения кривых на рис. 5.31, а и б можно сделать вывод, что возрастание КПД энергообмена связано с сум-

марным воздействием однородной и неоднородной гармоник поля.. При этом объемное поле прежде всего раскручивает электроны по­ тока, а основной энергообмен происходит за счет того, что электро­ ны, раскручиваясь, попадают в область больших продольных и по­

странения однородной гармоники поля от нормали в пределах 5— 10°, чтобы обеспечить эффективную раскачку поперечных колеба­ ний электронов при достаточной добротности электромагнитных колебаний, и выполнение условий фазированного сложения излу­ чения. Одновременное выполнение этих трех условий соответствует на рис. 5.30 пересечению линий циклотронного резонанса со = = k^v{\+ 2сов с дисперсионными кривыми эквивалентного периоди­

и соответственных магнитных полей является областью неустойчи­ вых колебаний, обусловленных возможностью перехода от синхро­ низма с прямым полем к синхронизму с обратным полем и силь­ ным влиянием электронной нагрузки на дисперсионные характе­ ристики.

На рис. 5.28 штриховые линии соответствуют условиям синхро­ низма (для разных значений магнитного поля) с прямым и обрат­

So < В2л с линией синхронизма с обратным полем, а для Во > В2л — с прямым полем. Область магнитных полей вблизи Во = В2л соот­ ветствует значительному разбросу частот генерации и перескокам от одного режима работы к другому.

5.5. МНОГОВОЛНОВЫЕ ДИФРАКЦИОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ

5.5.1. Физические основы МВДГ

Рассмотрим схему МВДГ [328, 329] (рис. 5.32) с электроди­ намической структурой, содержащей две секции периодического сверхразмерного волновода, соединенные трубой дрейфа, размеры

имеет конический запредельный волновод с углом наклона « . Пе­ риоды первой 1\ и второй 12 секций взяты такими, что на частоте генерации со для пучка с энергией электронов ге в первой секции