книги / Релятивистские многоволновые СВЧ-генераторы

1.7.СИЛЬНОТОЧНЫЕ УСКОРИТЕЛИ

ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ

Сильноточная электроника способна предложить для исполь­ зования целую гамму электронных ускорителей с широким диапа­ зоном параметров. Техника сильноточных ускорителей и сегодня: продолжает интенсивно развиваться. Но хотя во многих лаборато­ риях мира почти двадцать лет эксперименты с использованием СЭУ ведутся по целому ряду многообещающих направлений, боль­ шинство их не вышло из стадии демонстрационных. Сюда следует отнести исследования по управляемому термоядерному синтезу, коллективному ускорению ионов, возбуждению химических и газо­ вых лазеров, взаимодействию релятивистских электронных пучков’ с газами и плазмой, созданию плазмохимических реакторов и гене­ рированию электромагнитных СВЧ-колебаний.

Исключение, по-видимому, составляет направление, связанное с мощными радиационными воздействиями, где СЭУ широко при­ меняются как генераторы тормозного излучения для радиационных испытаний различной аппаратуры. Большое внимание в последние десять лет уделялось исследованиям по инерциальному управляе­ мому термоядерному синтезу. Оба эти направления существенно продвинули вперед технику сильноточных ускорителей и наложили свой отпечаток на технический облик создаваемых ускорителей. Целевая установка — концентрация огромной энергии в малом объ­ еме для получения короткого импульса — диктует и методы дости­ жения этой цели в сильноточном ускорителе. Это накопление элек­ трической энергии, формирование высоковольтных импульсов, их последовательное и многократное сжатие, транспортировка и сум­ мирование в одном малом объеме импульсов, полученных одновре­ менно во многих параллельно работающих модулях. Наиболее удоб­ ны круговая или сферическая компоновки ускорителя, где модули располагаются по радиусу на различных азимутах и доставляют энергию в центр.

Нетрудно видеть, что диапазон параметров СЭУ, которые мо­ гут использоваться для генерации микроволнового излучения, чрез­ вычайно широк: от сотен киловольт до десятков мегавольт по на­ пряжению, от единиц килоампер до десятков мегаампер по току и от наносекунд до микросекунд по длительности импульса. По­ скольку эти параметры существенно отличаются от распространен­ ных в традиционной СВЧ-электронике, проблема генерирования импульсов микроволнового излучения тераваттной мощности состо­ ит прежде всего в поиске схем генерации, адаптивных к столь вы­ соким параметрам и низкому качеству электронных потоков, ха­ рактерным для сильноточных ускорителей.

Начало использования СЭУ для генерирования микроволнового излучения с помощью сильноточных релятивистских электронных

нетроны, мазеры на циклотронном резонансе (М ЦР), многоволно­ вые генераторы и т. д. Список работ, посвященных этим генера­ торам, превышает сотню наименований [81]. Указанные источни­ ки излучения обеспечили значительный отрыв по уровню генери­ руемой выходной мощности от традиционной СВЧ-электроники и

Вместе с тем обнаружились значительные трудности в реали­ зации с помощью таких источников всех энергетических возмож­ ностей сильноточных ускорителей. В то время как импульсная энер­ гия электронных потоков достигает мегаджоулей, импульсная энер­ гия СВЧ-излучеиия не превышает килоджоуля. Иллюстрацией мо­ жет служить эксперимент [52] по генерации микроволнового из­ лучения в виркаторе с использованием одного из наиболее мощных ускорителей «Аврора» [9]. В них при параметрах одного канала ускорителя 12 МэВ, 0,4 MA, 100 нс и 0,5 МДж получено излуче­ ние с импульсной энергией 374 Дж (22 ГВт, 20 нс) на длине волны ~ 4 0 см.

Помимо внутренних причин, препятствующих достижению вы­ соких кпд в релятивистских СВЧ-генераторах (СВЧ-пробои, пара­ зитная генерация, нелинейные эффекты в электронном потоке), су­ ществует и внешняя. Это отсутствие оптимального согласования устройства накопления и передачи энергии с диодом ускорителя и генератором СВЧ-колебаний. При создании ускорителей для ге­ нераторов СВЧ-излучения с целью получения максимальной мощ­ ности при заданном объеме и стоимости установки необходимо не только правильно выбрать схему и конструкцию ускорителя, но и параметры отдельных его элементов. Поэтому целесообразно рас­ сматривать во взаимосвязи процессы накопления энергии, компрес­ сии и транспортировки импульса, формирования электронного по­ тока и его излучения.

Основой такого подхода может быть сравнение плотности по­ тока электромагнитной энергии (ППЭ) в различных ступенях силь­ ноточного ускорителя и генератора СВЧ-излучения. Наиболее низка ППЭ в ступени накопления энергии и передачи ее в формирующую линию. Даже применение модульной конструкции ГИН не позво­ ляет поднять ее выше 0,03—0,1 Вт/см2. Поэтому ступень накопле­ ния энергии является наиболее объемой частью ускорителя.

Для реализации максимальной ППЭ в коаксиальных линиях с распределенными параметрами напряжение должно быть как мож­ но более высоким, поскольку мощность пропорциональна его квад­ рату и обратно пропорциональна внутреннему сопротивлению. Из­ вестно, что для достижения максимальных напряжений в коакси­ альной линии с заданным диаметром необходимо выбирать соотно­ шение ее радиусов Л/г = 2,72, т. е. In (Л/г) = 1 . Это условие соот­ ветствует минимуму напряженности электрического поля на внут­ реннем электроде линии.

В одинарной коаксиальной линии при равенстве допустимых напряженностей поля на электродах разной полярности мощность и, следовательно, поток энергии максимальны при In (Л/г) = 1 , 2f

т. e. R/r = lie = 1,65 [82]. При этом

Pw= 0,046Гё £ 2Д/60.

«Здесь E — электрическая прочность изолятора, В/см; R — внешний радиус, см.

В случае линии Блюмляйна при положительной полярности на промежуточном электроде оптимальна симметричная линия с отношением радиусов R/r = 1,65. Мощность в каждой линии

Pw= 0,092УёЯ2Д/60.

При создании ускорителей приходится делать выбор между одинарными и двойными формирующими линиями. При равных потоках энергии одинарная линия имеет меньший радиус, чем двой­ ная (/?!== 0,73Лг), однако требует в два раза большего зарядного напряжения и, следовательно, более высоковольтной изоляции (проходных диафрагм, опорных изоляторов), а также коммутато­ ров, работающих при удвоенном напряжении.

Вместе с тем плотность потока электромагнитной энергии оп­ ределяется формулой Пойнтинга П = с [ЕН ]/4я. В согласованной ли­

линии на заданную мощность определяется в основном электриче­ ской прочностью диэлектрика. У воды это 150 кВ/см для микросекундных импульсов и 200— 250 кВ/см для наносекундных, поэтому плотность потока энергии в водяном коаксиальном промежуточном

коротких импульсах без развития пробоя и ППЭ в этом случае превышает 20 ГВт/см2. По-видимому, ППЭ может быть еще повы­ шена, пока предельный поток энергии в линии не будет ограничи­ ваться магнитным полем (или поверхностной плотностью тока), при котором происходит взрыв проводника. В этом случае П ^ 1 ТВт/см2.

туры по потоку энергии.

Плотности потока энергии через различные ступени генератора

возрастает и, следовательно, сечение, через которое ее необходимо передать, уменьшается. Таким образом, генератор сужается по на­ правлению от генератора Маркса к электронному пучку, в резуль­ тате чего конструкция имеет вид клина [10, 28]. Иная ситуация при использовании в генераторе пучков с умеренной плотностью тока (/е ~ 0,1— 1 кА/см2), например, в мыоговолновых СВЧ-генера- торах с пространственно-развитыми электродинамическими струк­ турами. Здесь сечение может увеличиться или остаться прежним.

Рассмотрим поток энергии в конечном звене —- в СВЧ-геиера- торе. Из многочисленных исследований известно, что в этих гене­ раторах электрическая прочность электродинамической структуры является одним из основных факторов, ограничивающих мощность и длительность генерируемого импульса. Это связано с развитием СВЧ-пробоев по поверхности структуры. Компонента электриче­ ского СВЧ-поля, параллельная силовой линии внешнего магнитного поля, инициирует электронный разряд в пространстве между эле­ ментами гофрировки. Этот разряд шунтирует структуру. В мощ­ ных наносекундных генераторах, использующих диафрагмирован­ ные волноводы, аксиальная напряженность электрического СВЧ-по­ ля достигает 300— 600 кВ/см, в других случаях она не превышает

100кВ/см.

Основываясь на высказанных выше соображениях, следует счи­

тать, что плотность потока энергии в электродинамической струк­ туре в режиме бегущей волны не может превышать 0,2—0,8 ГВт/ /см2. Для микросекундных импульсов она еще меньше. Это накла­ дывает ограничение на предел пространственной компрессии потока энергии в СЭУ, предназначенных для генерации микроволнового

излучения. По-видимому, в оптимальном варианте апертуры ваку­ умного диода и СВЧ-генератора должны быть близки.

Рассматривая всю цепь событий от накопления электрической энергии, включая сжатие импульса, преобразование энергии и ге­ нерации СВЧ-колебаний, можно прийти к выводу, что генераторы электронного пучка не соответствуют по ППЭ генераторам СВЧ-ко­ лебаний. Это несоответствие затрудняет использование всех энерге­ тических возможностей сильноточных ускорителей. Сегодня пред­ ставляются разумными два пути решения этой проблемы. Первый путь — пространственное развитие замедляющих систем СВЧ-гене- раторов (D > X ), что позволяет одновременно увеличивать апер­ туру электронных пучков и ток при сохранении его оптимальной плотности. Исследованию этого пути и посвящена настоящая мо­ нография.

Второй путь — использование в СВЧ-генераторах большого ко­ личества параллельно работающих модулей с фиксированной и уп­ равляемой фазой излучения, которые запитываются от одного силь­ ноточного ускорителя. Иллюстрацией этой концепции являются два параллельно работающих магнетрона, связанные между собой вол­ новодом и подсоединенные посредством вакуумных магнитоизоли­ рованных линий к одному генератору [53]. Создатели этой уста­ новки полагают, что такой путь позволит получить излучение с импульсной мощностью в сотни гигаватт. Этот путь традиционен, но существенно более дорог. Кроме того, он связан с проблемой поддержания общей фазы (синхронизации генераторов), которая сама по себе достаточно сложна.

Г л а в а 2

Ф ОРМ ИРОВАНИЕ И ТРАНСПОРТИРОВКА ТРУБЧАТЫХ РЕЛЯТИВИСТСКИХ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКОВ

2.1. ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К РЭП ДЛЯ ГЕНЕРАТОРОВ И УСИЛИТЕЛЕЙ СВЧ

В релятивистской высокочастотной электронике наибольшее применение нашли трубчатые сильноточные электронные пучки. Они наиболее полно удовлетворяют требованиям, предъявляемым к пучкам для сверхмощных вакуумных СВЧ-устройств различного типа. Во-первых, предельный ток транспортировки тонкого трубча­ того пучка превышает предельный ток сплошного цилиндрического пучка [83, 84]. При больших радиусах пучка гь их отношение мо­ жет быть много больше единицы. Это обстоятельсттво позволяет в устройствах СВЧ большого диаметра увеличивать токи пучков вплоть до сотен килоампер. Вторым преимуществом трубчатых пуч­ ков является возможность реализации эффективного обмена энер-

Рис. 2.1. Конфигурации элект­ ронных пучков.

а — прямолинейный пучок; б, в —

криволинейные.

гией между электромагнитным полем и тонким пучком с малым разбросом скоростей электронов.

В релятивистской СВЧ-электронике используются как прямо­ линейные, так и криволинейные поливинтовые трубчатые электрон­ ные пучки (рис. 2.1). Основываясь на теоретических оценках [85— 88], можно сформулировать основные требования к электронным пучкам, выполнение которых необходимо для достижения предель­ ных КПД в СВЧ-устройствах:

нием энергии продольного движения в излучение. Для его выпол­ нения необходимо сильное ведущее магнитное поле, которое нахо­ дится из условия замагниченности электронного пучка 0)в>(0ьц, где (ùb\= [4ятге2/ (ту*) ] 1/2 — частота продольных колебаний электронов в пучке; п — концентрация электронов.

Требование (2.2) задается из условия малости дисперсии про­ дольных скоростей электронов относительно синхронной волны. Вторая часть этого требования относится к СВЧ-устройствам типа мазера на циклотронном резонансе (МЦР) или убитрона. Для ре­ лятивистских поливинтовых электронных пучков, используемых в МЦР, как правило, Рх ^ 1/т < РиДля гиротронов возможно Рх ^ ^ Р„. При этом обычно задается требование к разбросу попереч­ ных скоростей электронов Арх/Рх> которое можно переопределить из соотношения Др(,/р„ < 1/N при условии постоянства полной энер­

Первая часть требования (2.3) относится к СВЧ-устройствам с продольным взаимодействием и определяется из условия малости изменения амплитуды синхронного поля на толщине пучка. Дей­

сится к убитронам, в которых поперечная компонента магнитного поля В _L убывает в е раз на расстоянии Дг ^ dJ2si и определяется из условия малости изменения В ± на толщине пучка.

Даже в сильно замагниченном трубчатом электронном пучке всегда сохраняется разброс продольных скоростей, связанный с па­ дением потенциала на толщине пучка. Последнее можно найти двойным интегрированием уравнения div Е = 4летг. Падение потен­

Максимальная энергия электронов пучка в области транспортиров­ ки меньше энергии, приобретенной в электронной пушке (диоде), на величину, соответствующую провисанию потенциала между тру­ бой дрейфа и внешней границей пучка [89] :

можно пользоваться, когда расстояние между пучком и структурой много больше высоты диафрагм. В противном случае характери­ стики пучка, в том числе и энергия электронов, изменяются при транспортировке, носят локальный характер и могут быть опреде­ лены только численным расчетом.

К числу других требований относится также требование к плотности тока пучка / е. Во-первых, она должна быть оптималь­ ной, чтобы в устройствах СВЧ формировались компактные элек­ тронные сгустки с малым разбросом скоростей и достигался мак­ симальный КПД. Во-вторых, на длине пространства взаимодействия L не должны развиваться низкочастотные пучковые неустойчиво­

плазменной частоты электронов пучка к частоте излучения соь/(о либо, что чаще используется в релятивистской высокочастотной электронике, отношением тока пучка к предельному току транспор­

Здесь Г = 1 + eUl(mc2) — релятивистский фактор, соответствующий напряжению на диоде U. Требование устойчивости пучка по от­ ношению к наиболее опасной для трубчатых пучков диокотронной неустойчивости можно характеризовать (при заданных геометриях пучка и области транспортировки) отношением плазменной частоты электронов пучка к релятивистской циклотронной частоте о)ь/сов< 1. Оно близко по форме к условию замагниченности пучка. Здесь и выше (ùb = [knne2j (т^ )]1/2 и для релятивистских электронных пуч­ ков имеет смысл параметра плотности заряда. В общем случае длина СВЧ-устройства должна быть меньше обратного простран­ ственного инкремента неустойчивости (характерной длины раз­ вития неустойчивости)'.

рим основные физические процессы в диоде с ВЭЭ на примере плоского диода (рис. 2.2).

На поверхности катода всегда имеются различные неоднород­ ности, электрическое поле на которых усилено в сотни раз. При подаче импульса напряжения на диод локальная напряженность электрического поля на катоде может стать ^ 100 MB/см. Термоавтоэлектронная эмиссия с микронеоднородностей приводит к их нагреву и взрывообразному испарению. Время запаздывания взры­ ва острия т3 зависит от плотности предвзрывного эмиссионного то­

ка je. Исследования показали, что произведение jlте есть величина постоянная и зависит только от теплофизических характеристик ма­ териала катода. Термоавтоэмиссионный ток большой плотности (~ 1 0 9 А/см2) ограничивается объемным зарядом электронов в об-

Рис. 2.2. Схема плоского

диода.

1 — катод; 2 — анод; 3 — тру­

ба дрейфа.

ласти эмиттера. В этом случае время задержки взрыва зависит от напряженности внешнего электрического поля следующим образом:

тз ~ £ - 3 [2].

Врезультате ионизации паров материала катода, а также де­

сорбируемого газа и продуктов крекинга пленки масла образуются

ровых расстояниях она падает на порядки и может составлять

гом и формируют на катоде более или менее однородную эмити­ рующую плазменную поверхность. В процессе функционирования КФ возникают новые эмиссионные центры под плазмой и микро­ острия. Малый удельный унос массы с катода 10-4— 10“5 г/Кл обес­ печивает большой ресурс работы катодов с ВЭЭ.

В формировании эмитирующей поверхности плазмы на катоде существенную роль играет эффект экранировки [101]. При подаче на диод импульса напряжения первоначально взрываются микро­ острия, на которых локальная напряженность электрического поля наибольшая. Образующиеся КФ расширяются в вакуум и эми­ тируют электроны. За счет геометрического фактора (полусфера радиусом г = vpt на плоской поверхности) и объемного заряда элек­ тронов уменьшается (экранируется) напряженность электрического поля на участках катода вблизи функционирующих КФ. При этом время запаздывания взрыва соседних микроострий увеличивается и они могут не взорваться, если т3 окажется больше длительности импульса напряжения. Для повышения однородности плазмы на катоде (увеличения числа КФ) необходимо увеличивать скорость нарастания напряженности электрического поля dEjdt [102]. При большом значении dE/dt критическая (взрывная) напряженность электрического поля может достигаться для большого числа мик­ роострий за малый промежуток времени. При этом на первых взор­ вавшихся микроостриях радиус плазмы КФ и ток электронов не успевают существенно увеличиться, что и приводит к ослаблению эффекта экранировки. Таким образом, для повышения однородности плазмы на катоде при заданном межэлектродном зазоре необходи­ мо использовать материалы с малым временем запаздывания ВЭЭ и конструкции катодов с большим усилением электрического поля, увеличивать амплитуду импульса напряжения и уменьшать дли­ тельность его переднего фронта.

С фронта расширяющейся катодной плазмы эмитируется элек­ тронный поток. Электроны поставляются в плазму из катода в области эмиссионных центров (ЭЦ), поперечные размеры которых единицы микрометров. Сам ЭЦ представляет собой фазовый пере­ ход материал катода — плазма. Электронный поток ускоряется в вакууме приложенным к диоду напряжением и бомбардирует анод. При этом десорбируется газ, испаряется материал анода и обра-

рис. 2.2). Анодная фольга разрушается при плотности пропущен­ ного заряда 10~4 Кл/см2 [ЮЗ]. Рассеяние электронов в ней при­ водит к увеличению поперечной составляющей их скоростей. Дли­ тельность импульса тока пучка в таком диоде ограничивается пе­ ремыканием ускоряющего промежутка катодной и анодной плазмой.

Для простоты рассмотрим формирование электронных пучков в плоском нерелятивистском диоде без учета анодных процессов. Пренебрежем также влиянием собственного магнитного поля. В этом случае плотность тока пучка определяется известным «за­

где d — расстояние между электродами. Максимальная плотность тока эмиссии электронов с фронта катодной плазмы равна плот­ ности тока насыщения плазмы:

скорость электронов плазмы.

В зависимости от соотношения между этими плотностями тока различают два режима эмиссии: режим неограниченной эмиссион­

деления зарядов вследствие разности тепловых скоростей электро­ нов и ионов перед плазмой образуется слой объемного заряда элек­ тронов (виртуальный катод), который экранирует плазму от внеш­ него электрического поля. На границе плазмы электрическое поле отлично от нуля и ускоряет ионы. Электроны плазмы заполняют область, занятую ускоренными ионами. При этом катодная плазма