Длительность импульсов релятивистских сильноточных плазменных источников СВЧ-излучения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.08, кандидат наук Ернылева, Светлана Евгеньевна

• Ернылева, Светлана Евгеньевна
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Ернылева, Светлана Евгеньевна

Оглавление

Введение

§ 1. Актуальность работы

§2. Цели диссертационной работы

§3. Научная новизна

§4. Защищаемые положения

§5. Практическая ценность результатов

§6. Публикация и апробация результатов

§7. Структура и объем диссертации

Глава 1. Плазменный релятивистский СВЧ-генератор и методы его исследования

§1. Принцип действия плазменного релятивистского СВЧ-генератора

§2. Конструкция и экспериментальные исследования плазменных релятивистских СВЧ-генераторов

§3. Численное моделирование плазменных релятивистских СВЧ-генераторов

§4. Изменение частоты излучения в течение импульса: эксперимент и расчет

Выводы главы 1

Глава 2. Укорочение СВЧ-импульса

§1. Причины и методы преодоления эффекта укорочения СВЧ-импульса в вакуумной релятивистской сильноточной электронике

§2. Плазменная электроника: преимущества и недостатки решения проблемы укорочения СВЧ-импульса

§3. Предшествующие работы и возможные причины эффекта укорочения СВЧ-импульса

§4. Причины срыва процесса генерации СВЧ-излучения

§5. Способы подавления причин укорочения СВЧ-импульса в плазменном релятивистском СВЧ-генераторе

§6. Влияние коллекторной плазмы на укорочение СВЧ-импульса в плазменном СВЧ-генераторе

§7. Выводы главы 2

Глава 3. Плазменный СВЧ-усилитель шума

§ 1. Цель и метод

§2. Сравнение плазменного СВЧ-усилителя шума с плазменным СВЧ-генератором

§3. О возможности создания плазменного СВЧ-усилителя шума на базе существующего ускорителя с частотой повторения импульсов до 3.5 кГц

§4. Плазменный СВЧ-усилитель шума с инверсной геометрией

§5. Выводы главы 3

Заключение

Выводы

Литература

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Длительность импульсов релятивистских сильноточных плазменных источников СВЧ-излучения»

Введение

Плазменная релятивистская сильноточная СВЧ-электроника проходила три этапа развития. В 1949 году А.И.Ахиезер и Я.Б.Файнберг [1] в СССР, Д.Бом и Э.Гросс [2] в США начали теоретическое исследование процессов излучения при взаимодействии электронного потока с плазмой. Теория взаимодействия сильноточных релятивистских электронных пучков с плазмой и исследования возможностей создания на этой основе СВЧ-приборов впоследствии развивались научными коллективами под руководством А.А.Рухадзе и М.В.Кузелева, основные результаты можно найти в [3, 4].

Экспериментальные исследования по релятивистской сильноточной электронике начались в 1960-х годах с появлением сильноточных электронных ускорителей. В 1973 г. был создан первый черенковский сильноточный релятивистский вакуумный СВЧ-генератор [5], а в 1982 г. — плазменный СВЧ-генератор [6]. Эксперименты по плазменной сильноточной релятивистской СВЧ-электронике проводились в коллективе под руководством П.С.Стрелкова [3].

Третий этап исследований связан с созданием электронно-вычислительных машин, а позже — и достаточно мощных персональных компьютеров, позволивших в 1990-х годах начать с их помощью численные эксперименты. В плазменной релятивистской сильноточной СВЧ-электронике развитие численного моделирования связано, в первую очередь, с кодом «КАРАТ» [7, 8], созданным В.П.Таракановым в 1970-х и 80-х годах для «больших» ЭВМ и развиваемым им до настоящего времени. Кроме сравнительной дешевизны по сравнению с натурным экспериментом, численный эксперимент обладает и другими преимуществами, а именно, возможностями диагностики любого параметра и «постановки» эксперимента, невозможного на практике. Настоящая диссертационная

работа проведена с помощью численного моделирования на основе кода «КАРАТ».

§1. Актуальность работы

Главной трудностью на пути развития релятивистской сильноточной СВЧ-электроники оказалось явление, обнаруженное почти одновременно разными группами исследователей [9, 10], впоследствии за ним закрепилось название «укорочение СВЧ-импульса» [11]. Явление заключается в том, что СВЧ-излучение прекращается и не возобновляется до окончания импульса тока, в следующем импульсе картина повторяется. Главной причиной этого явления в вакуумной релятивистской сильноточной СВЧ-электронике является СВЧ-пробой на поверхности генераторной секции [12], определяемый близостью к ней электронного потока. Устранить эту причину полностью принципиально невозможно [13], поскольку невозможно транспортировать в вакууме сильноточный поток электронов с большим пространственным зарядом вдали от поверхности с нулевым потенциалом без значительных потерь кинетической энергии частиц. В плазменной электронике, где заряд электронов скомпенсирован плазмой, это ограничение отсутствует, как и отсутствует связанная с ней причина укорочения СВЧ-импульса. Тем не менее, срыв процесса излучения плазменного СВЧ-генератора задолго до окончания импульса тока наблюдался достаточно часто [14]. Решение проблемы укорочения СВЧ-импульса путем нахождения причин этого явления и путей их устранения, которому посвящена часть настоящей работы, является одной из самых актуальных задач плазменной СВЧ-электроники.

Длительность СВЧ-импульса является не только объектом исследования, а ее увеличение — не единственная цель работ в плазменной СВЧ-электронике. Существует ряд практических приложений, для которых длительность СВЧ-излучения свыше нескольких наносекунд просто не нужна, зато нужны высокая пиковая мощность, непрерывный спектр, а также

средняя мощность излучения, определяемая частотой повторения импульсов. Оказывается, что сокращение длительности СВЧ-импульса может быть инструментом для качественного — не количественного — превращения линейчатого спектра плазменного СВЧ-генератора в спектр непрерывный. Такая возможность реально конкурирует с возможностями существующих сверхширокополосных (СШП) генераторов, излучение которых имеет непрерывный спектр, но энергия импульсов падает линейно с уменьшением длины волны излучения. Разработка путей создания компактного источника излучения, перекрывающего частотный диапазон в 2 октавы, и энергия импульсов которого при мощности ~108Вт не уменьшается даже при частотах 10...20 ГГц, является актуальной задачей, поскольку не решена до сих пор несмотря на практическую потребность. Решению этой задачи посвящена еще одна часть диссертационной работы.

§2. Цели диссертационной работы

С помощью методов численного моделирования:

1. Найти причины, механизм развития и предложить способ устранения эффекта укорочения СВЧ-импульса в плазменном релятивистском СВЧ-генераторе.

2. Предложить способ построения источника мощного СВЧ-излучения с непрерывным, перестраиваемым в широком диапазоне частот спектром и оценить возможность его экспериментальной реализации на основе существующих генераторов сильноточных релятивистских электронных пучков.

3. Обосновать обнаруженную экспериментально возможность управления частотой СВЧ-излучения в течение импульса наносекундной длительности.

§3. Научная новизна

1. Найдены новая причина и механизм развития эффекта укорочения СВЧ-импульса в плазменном релятивистском СВЧ-генераторе. Впервые предложен практически реализуемый способ устранения этого эффекта.

2. Впервые предложен способ генерации СВЧ-импульсов с непрерывно перестраиваемым в диапазоне 2 октав спектром на уровне мощности 108 Вт.

3. Впервые в численном эксперименте обоснована возможность управления частотой СВЧ-излучения плазменного релятивистского СВЧ-генератора в течение импульса наносекундной длительности.

§4. Защищаемые положения

В численной модели проведены исследования взаимодействия сильноточного релятивистского электронного потока с заранее создаваемой плазмой в сильном магнитном поле и показано, что:

1. причиной развития эффекта укорочения СВЧ-импульса в плазменном релятивистском СВЧ-генераторе является обратный ток электронов по плазме. К подавлению эффекта приводит выравнивание потенциалов границ плазмы вдоль магнитного поля;

2. источник излучения, основанный на усилении шумов релятивистским сильноточным электронным пучком в плазме, способен генерировать СВЧ-импульсы с приблизительно одинаковой энергией и мощностью на уровне 108 Вт на всех частотах в диапазоне 2 октав;

3. изменение частоты излучения в течение импульса плазменного релятивистского СВЧ-генератора, наблюдаемое в эксперименте, определяется изменением концентрации плазмы в результате ионизации в СВЧ-полях, ее нагрева с ростом потенциала, а также вытеснения электронов плазмы электростатическим полем

сильноточного релятивистского электронного пучка. Управление частотой СВЧ-излучения плазменного релятивистского СВЧ-генератора в течение импульса наносекундной длительности осуществляется путем создания определенной степени ионизации плазмы и ее концентрации.

§5. Практическая ценность результатов

Эффект укорочения СВЧ-импульса - одна из основных проблем СВЧ-электроники больших мощностей, как вакуумной, так и плазменной. В результате этого эффекта длительность импульса излучения плазменного СВЧ-генератора значительно меньше длительности импульса тока релятивистского электронного пучка, что приводит к гораздо меньшему значению эффективности его работы, чем можно было бы ожидать. В диссертационной работе не только найден механизм развития эффекта укорочения СВЧ-импульса в плазменном релятивистском СВЧ-генераторе, но и впервые предложен способ возможного устранения причин этого эффекта на практике.

Частоту излучения плазменного релятивистского СВЧ-генератора можно перестраивать в широких пределах [15], но его спектр состоит из отдельных частот [16], т.е. существуют диапазоны частот, в которых невозможно получить генерацию. В диссертационной работе впервые предложен способ генерации мощного СВЧ-излучения со спектром, включающим все частоты от 4 до 16 ГГц на приблизительно одинаковом

о

уровне мощности -10 Вт. Показано, что данный метод генерации СВЧ-импульсов с использованием существующих импульсно-периодических источников электронных пучков позволит в течение секунды получить СВЧ-излучение с однородным распределением спектральной плотности энергии на уровне 0.1 Дж/ГГц в диапазоне частот до 2 октав.

Эксперименты [17, 18] показали возможность изменения частоты излучения в течение импульса плазменного релятивистского СВЧ-

генератора. Частота излучения плазменного СВЧ-генератора определяется концентрацией плазмы, но существующие методы диагностики не позволяют определять параметры плазмы в системе с релятивистским электронным пучком и сильными СВЧ-полями. В диссертационной работе удалось в численном эксперименте смоделировать изменение концентрации плазмы и частоты излучения в течение импульса, подтвердив тем самым выводы эксперимента и определив пути управления частотой излучения, а также пределы применимости метода.

§6. Публикация и апробация результатов

По материалам диссертации опубликовано пять статей [19, 18, 20, 21, 22] в научных журналах.

Результаты исследований докладывались и опубликованы в материалах конференций [23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31], а именно:

• 39-ая Международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и УТС, г. Звенигород, 6-10 февраля 2012 г.

• 67-я Всероссийская конференция с международным участие «Научная сессия, посвященная Дню радио», Российское научно-техническое общество радиотехники, электроники и связи им. A.C. Попова, г. Москва, 16-17 мая 2012 г.

• European Electromagnetics Symposium EUROEM 2012, Toulouse, France, 2-6 July 2012.

• 40-ая Международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и УТС, г. Звенигород, 11-15 февраля 2013 г.

• XII International Workshop on Plasma Electronics and New Acceleration Methods, Kharkov, Ukraine, 26-30 August 2013.

• 49-ая Всероссийская конференция по проблемам физики частиц, физики плазмы и конденсированных сред, оптоэлектроники, г.Москва, Российский университет дружбы народов, 14-17 мая 2013 г.

• 41-ая Международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и У ТС, г. Звенигород, 10-14 февраля 2014 г.

• American Electromagnetics Symposium AMEREM 2014, Albuquerque, USA, 27-31 July 2014.

§7. Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Полный объем диссертации составляет 94 страницы, включая 50 рисунков и список литературы из 72 наименований.

Диссертационная работа включает в себя решение трех исследовательских задач, которые рассмотрены последовательно в разных главах.

Глава 1 посвящена общему описанию предмета исследования -плазменному релятивистскому СВЧ-генератору. В §1 описывается принцип действия плазменного релятивистского СВЧ-генератора. В §2 представлена схема плазменного релятивистского СВЧ-генератора, и приведен обзор экспериментальных работ по его исследованиям. В §3 приведен обзор работ по изучению плазменного релятивистского СВЧ-генератора с помощью численного эксперимента, и описана численная модель, использованная в данном исследовании. В §4 приведены результаты решения первой подзадачи диссертационной работы - исследований изменения частоты излучения в течение импульса излучения плазменного релятивистского СВЧ-генератора.

Глава 2 посвящена проблеме эффекта укорочения СВЧ-импульса в плазменной электронике. Поскольку плазменные СВЧ-приборы имеют много общего с вакуумными, §1 посвящен обзору причин и методов устранения эффекта укорочения СВЧ-импульса в вакуумных релятивистских сильноточных приборах. В §2 проводится сравнение плазменных СВЧ-приборов с вакуумными с точки зрения эффекта укорочения СВЧ-импульса, рассматриваются общие причины эффекта и различия. В §3 приводится обзор

ю

существующих работ по проблеме эффекта укорочения СВЧ-импульса в плазменном релятивистском СВЧ-генераторе. Так, в работе [58] одной из возможных причин называется температура плазмы, а в работе [47] показано, что образование области с пониженной концентрацией плазмы у коллектора может приводить к срыву СВЧ-генерации. В §4 изложены основные результаты по исследованию причин эффекта укорочения в плазменном релятивистском СВЧ-генераторе. Исследован механизм образования области с пониженной концентрацией плазмы у коллектора. Найдена неизвестная ранее причина эффекта укорочения СВЧ-импульса — обратный ток электронов по плазме. Показано, что температура электронов плазмы в диапазоне, наблюдаемом в численном эксперименте, сама по себе не влияет на длительность СВЧ-импульса, как предполагалось ранее. В §5 описаны способы, позволяющие подавить эффект укорочения СВЧ-импульса в плазменном релятивистском СВЧ-генераторе. Первый способ предполагает компенсацию падения коэффициентов отражения и усиления за счет увеличения длины плазменно-пучкового взаимодействия, что достаточно очевидно, но весьма неэффективно в эксперименте и имеет другие недостатки. Более перспективным представляется второй способ, предусматривающий устранение сквозного обратного потока электронов по плазме. Данный метод реализуется за счет добавления на границе плазмы дополнительного электрода, имеющего отрицательный потенциал. В §6 рассматривается влияние коллекторной плазмы на процесс генерации СВЧ-излучения. В §7 подведены выводы к Главе 2.

Спектр плазменного релятивистского СВЧ-генератора состоит из дискретных мод. Изменение концентрации плазмы приводит к изменению частоты излучения. Однако существуют диапазоны частот, в которых невозможно получить генерацию. Для воздействия на объекты с заранее неизвестными частотными характеристиками необходимы источники мощного СВЧ-излучения с широким непрерывным спектром или

возможностью электронной перестройки частоты в широком диапазоне.

11

Такой источник можно построить на основе плазменного релятивистского СВЧ-генератора, сократив длительность импульса тока релятивистского электронного пучка. Исследованию такого источника - плазменного СВЧ-усилителя шума - посвящена Глава 3. В § 1 описаны цель исследований и принцип работы СВЧ-усилителя шума. В §2 для оценки перспектив использования СВЧ-усилителя шума проводится сравнение его характеристик - КПД и спектра - с хорошо изученным плазменным релятивистским СВЧ-генератором. В §3 и §4 рассматриваются перспективы практической реализации СВЧ-усилителя шума. В §3 изложены результаты численного расчета СВЧ-усилителя шума на базе существующего источника релятивистских электронных пучков наносекундной длительности. В §4 рассматривается модификация конструкции СВЧ-усилителя шума для практической реализации. В §5 изложены выводы к Главе 3.

Глава 1. Плазменный релятивистский СВЧ-генератор и методы его исследования

§1. Принцип действия плазменного релятивистского СВЧ-генератора.

Действие плазменного релятивистского СВЧ-генератора (ПРГ), как и всех плазменных релятивистских СВЧ-источников, основано на эффекте черенковского взаимодействия сильноточного релятивистского электронного пучка (РЭП) с собственной медленной волной плазменного волновода в магнитном поле.

Оптимальная схема аксиально-симметричного плазменного релятивистского источника СВЧ-излучения [32] представлена на Рис. 1. Трубчатый РЭП распространяется в сильном продольном магнитном поле в металлическом цилиндрическом волноводе, в котором расположена трубчатая плазма. Электронный пучок и плазма однородны вдоль оси волновода. Электроны проникают в систему через прозрачную для них левую границу и оседают на коаксиальный электрод, служащий их коллектором. СВЧ-излучение выходит через прозрачную правую границу.

трубчатая плазма СВЧ -1

трубчатый РЭП Коллектор

СВЧ —

Рис. 1. Схема плазменного источника СВЧ-излучения.

В плазменном волноводе, в отличие от вакуумного, существует семейство медленных волн, фазовые скорости которых VрИ = со/к2 <с, где со

— частота плазменной волны, к2 — проекция волнового вектора плазменной волны на ось волновода, с — скорость света. Медленные плазменные волны при больших т.е. при длинах волн, гораздо меньших размеров плазмы,

J4 те2

-, где (Ор — ленгмюровская частота, п —

т

концентрация плазмы. Дисперсионная зависимость медленной волны плазменного волновода показана на Рис. 2 красной кривой. Зеленая прямая соответствует фазовой скорости света, а синяя — скорости электронов РЭП. При совпадении фазовой скорости плазменной волны co/kz со скоростью и электронов РЭП (а точнее, со скоростью медленной волны пространственного заряда РЭП) на частоте со осуществляется черенковское взаимодействие, при котором кинетическая энергия электронного пучка переходит в энергию волн в плазме. При увеличении концентрации плазмы и, соответственно, ее ленгмюровской частоты сор увеличивается и частота со, на которой осуществляется взаимодействие электронного пучка с плазмой.

Рис. 2. Дисперсионная кривая плазмы пересекается с прямой со = к7и в точке, определяющей частоту со СВЧ-излучения

Самую большую фазовую скорость имеет азимутально-симметричная плазменная волна. Согласно принятой в теории волноводов классификации, эту волну обозначают как Е0ь Структура поля основной моды азимутально-симметричной плазменной волны в области между плазмой и металлическим волноводом при к. -> 0 имеет вид [33]:

1пф

Ег(г) = -к2г( !-#„)—

Ег(г) = 1кг

1

гп 2

к 1п(-*-) Я

+ ^к](\-р2Лг 1п(—) -

1

Я

где Е2 — поперечная компонента поля волны, Ег — продольная компонента поля волны, Я — радиус металлического волновода, гр — радиус плазменного волновода, Ррь — фазовая скорость, нормированная на с.

Как и у кабельной (ТЕМ) волны в металлическом волноводе, в длинноволновом пределе к, -» 0 радиальное поле плазменной волны спадает по радиусу ос 1 / г. Когда длина волны становится сравнимой с поперечными размерами, радиальная зависимость полей становится более сильной.

Структура компонент электрического поля медленной плазменной волны показана на Рис. 3 [3], а рисунок силовых линий электрического поля — на Рис. 4. Наиболее сильное поле сосредоточено вблизи плазмы и спадает при удалении от нее. В коротковолновом пределе поле на стенке внешнего металлического волновода практически равно нулю.

Вг, Иг, отн. сд.

Рис. 3. Профиль продольного Е2 и поперечного Ег компонентов электрического поля СВЧ-волны в волноводе с трубчатой плазмой. Я=2 см, гр=Т см, толщина плазменного волновода Др=0.2 см.

На Рис. 4 можно также проследить трансформацию моды Е01 плазменного волновода в ТЕМ-волну вакуумного коаксиального металлического волновода. При этом происходит изменение фазовой скорости и структуры СВЧ-поля волны, что и является причиной частичного отражения плазменной волны. В длинноволновом пределе к. О коэффициент отражения который определяется различием фазовых скоростей, равен [33]:

к, 1

Х =

JУ_с__

1 ~ 4у2 со с

«1.

Таким образом, для преобразования плазменной волны в кабельную волну вакуумного волновода с минимальными отражениями необходимо, чтобы фазовая скорость медленной плазменной волны была близка к скорости света.

плазма Е:, ТЕМ

Рис. 4. Структура Е - поля в плазменном волноводе.

ГТРГ представляет собой плазменную лампу бегущей волны с обратной

связью, которая осуществляется при частичном отражении волн от

коллектора и левой границы волноводного резонатора. Пусть 8к - погонный

коэффициент усиления поля волны, Ь - длина плазменно-пучкового

взаимодействия, ки - коэффициенты отражения (по амплитуде

16

электрического поля) от левой и правой (коллектора) границ волноводного резонатора. Тогда первое условие нарастания амплитуды автоколебаний:

к{к2ем >1.

Вторым условием генерации является сохранение фазы - после прохождения области взаимодействия в обоих направлениях и отражений от обеих границ резонатора, волна с длиной X должна сохранить фазу:

кг -2 Ь + ф0 = 2 тУ,

где ф0 - изменение фазы, связанное с отражением от границ, N=1,2,3,.. -номер продольной моды.

В общем случае ф0 зависит от концентрации плазмы, здесь этой зависимостью пренебрегается. Также подразумевается равенство длин двух плазменных волн: волны с нарастающей амплитудой, распространяющейся слева направо, и отраженной от коллектора волны, распространяющейся справа налево без взаимодействия с РЭП, а также групповых скоростей этих волн. В этом случае разность волновых чисел Дк2 для волн, индекс N которых отличается на единицу, равен

Ак. = 7г / Ь,

Групповая скорость волны V = —« . Тогда в одном импульсе

£Г дк, Ак,

излучения ПРГ, когда концентрация плазмы не меняется, т.е. при неизменной дисперсионной характеристике плазменной волны, может генерироваться набор частот с интервалом:

V

А/ да —^ .

21

Для наиболее часто используемых параметров интервал АГ между частотами излучения ПРГ находится в пределах (0.1-0.5) ГГц.

Коэффициент усиления плазменной волны может быть найден теоретически [34] в линейном приближении для случая неограниченной по длине (Ь —»со) области взаимодействия РЭП с плазмой. На Рис. 5, для примера, изображены коэффициенты усиления для системы со следующими

17

параметрами: радиус волновода Я =1.8 см, радиус плазменного волновода гР1= 1.1 см, радиус РЭП гь = 0.6 см, толщина РЭП и плазменного волновода Аь = Ар = 0.1см, ток РЭП 1ь = 2кА, релятивистский фактор РЭП у = 2 (и=2.6-1010 см/с), в зависимости от частоты для различных плазменных частот

Рис. 5. Зависимости коэффициентов усиления от частоты для различных плазменных частот сор: 1 - 15хЮ10 рад/с, 2 - 25x1010 рад/с, 3 -35хЮ10рад/с,

4-45x1010 рад/с.

Как видно из рисунка, усиление плазменной волны приблизительно с одинаковым коэффициентом возможно в широком диапазоне частот, границы которого отличаются, по крайней мере, на порядок. Таким образом, основное отличие плазменных СВЧ-приборов от черенковских вакуумных состоит в следующем. В вакуумных релятивистских черенковских СВЧ-приборах частота излучения определяется пространственно-периодической замедляющей структурой — гофрированным или диафрагмированным металлическим волноводом. Изменение дисперсионных свойств такого волновода возможно только путем его механических изменений. Это делает невозможным существенное изменение частоты от импульса к импульсу при их периодической генерации, поскольку диапазон перестройки частоты излучения путем изменения энергии электронов РЭП не превышает 15% [35].

В плазменных СВЧ-приборах частота излучения определяется концентрацией плазмы, которую можно регулировать в широких пределах. Поэтому частоту излучения плазменных СВЧ-приборов можно произвольно изменять от импульса к импульсу даже при периодическом режиме их следования. Кроме того, частоту излучения можно изменять и в течение импульса. Обратной стороной этого преимущества плазменных приборов над вакуумными является сложность их конструкции за счет наличия источника плазмы и обслуживающих его систем. Кроме того, КПД плазменных СВЧ-источников не превышает 5-10%, в то время как КПД вакуумных приборов достигает 30% и более.

§2. Конструкция и экспериментальные исследования плазменных релятивистских СВЧ-генераторов.

Схема экспериментального плазменного релятивистского СВЧ-генератора (ПРГ) [14] представлена на Рис. 6.

Рис. 6. Схема плазменного релятивистского СВЧ-генератора [14]: 1 -соленоид, 2 - катод источника плазмы, 3 - трубчатая плазма, 4 - диафрагма, ограничивающая диаметр РЭП, 5 коллектор РЭП, 6 - взрывоэмиссионный

катод, 7 - РЭП, 8 - рупор.

СВЧ-генератор включает в себя цилиндрический волновод, внутри которого с помощью соленоида 1 создается сильное (~1 Тл) продольное магнитное поле. Плазма создается в течение нескольких десятков микросекунд путем ионизации газа [36], для этого используется кольцевой термокатод 2, генерирующий трубчатый поток электронов с током до 50 А. Электроны с энергией 600 эВ, эмитированные с термокатода, распространяются вдоль магнитного поля и ионизируют газ, в результате чего образуется трубчатая плазма 3. Распространение электронов с катода источника плазмы ограничено слева диафрагмой 4, а справа — торцом центрального электрода коаксиального волновода 5. Концентрация плазмы в момент инжекции РЭП определяется плотностью газа и временем задержки между подачей напряжений на катод 2 плазменного источника и катод 6 сильноточного электронного ускорителя.

В заранее подготовленную трубчатую плазму инжектируется трубчатый релятивистский пучок электронов 7 с энергией 500 кэВ и током 2 кА. Электронный пучок формируется за счет эмиссии электронов с взрывоэмиссионного катода при подаче на него импульса напряжения, длительность импульса тока РЭП в большинстве экспериментов не превышала 100 не. В результате взаимодействия электронов РЭП с плазмой генерируется СВЧ-излучение, которое через коаксиальный волновод выводится из области плазменно-пучкового взаимодействия. Электроны РЭП после взаимодействия с плазмой оседают на коллекторе. Дальнейший вывод СВЧ-излучения из генератора осуществляется с помощью преобразователя ТЕМ-волны в моду ТЕц круглого волновода и выходного рупора.

В импульсно-периодическом режиме работы после каждого импульса плазма полностью распадается, а перед следующим импульсом РЭП создается снова.

Первый успешный эксперимент по исследованию ПРГ был

осуществлен в 1982 году [6]. Результаты первых экспериментов [37]

подтвердили наличие порогового значения концентрации плазмы и

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Ернылева, Светлана Евгеньевна, 2014 год

Литература

1 Ахиезер А. И., Файнбег Я. Б. О взаимодействии пучка заряженных частиц с

электронной плазмой // ДАН СССР, 1949, т. 69, с. 551.

2 Bohm D., Gross Е. Theory of plasma oscillations// Phys. Rev., 1949, v. 75, p. 1851.

3 Кузелев M.B., Рухадзе A.A., Стрелков П.С. Плазменная релятивистская

СВЧ-электроника. Издательство МГТУ имени Н.Э.Баумана, 2002.

4 Кузелев М. В., Рухадзе А. А. Электродинамика плотных электронных

пучков в плазме. М: Наука, 1990.

5 Ковалев Н.Ф., Петелин М.И., Райзер М.Д., Сморгонский А.В., Цопп Л.Э.

Генерация мощных импульсов электромагнитного излучения потоком релятивистских электронов // Письма в ЖЭТФ,1973, т. 18,с. 179-208.

6 Кузелев М.В., Мухаметзянов Ф.Х., Рабинович М.С. и др. Релятивистский

плазменный СВЧ-генератор // ЖЭТФ, 1982, т. 83, с. 1358 // ДАН СССР, 1982, т. 267, с. 829.

7 Тараканов В.П. Теоретический и численный анализ нелинейных задач

физики плазмы посредством кода Карат. Дисс. у/с д.ф.-м.н., М.- 2011.

8 Tarakanov V.P. User's Manual for code KARAT Springfield, VA: Berkley

Research Associates, Inc. 1992.

9 Ельчанинов Ф. С., Загулов Ф. Я., Коровин С. Д. и др. Ограничение

длительности мощных импульсов СВЧ в релятивистском карсинотроне //Письма в ЖТФ, 1981, т. 7, в. 19, с. 1168-1171.

10 Бондарь Ю. Ф., Заворотный С. И., Ипатов А. Л. и др. Исследование

микроволнового излучения в релятивистском карсинотроне // Кр. сообщ. по физике, 1982, в. 2, с. 3-7.

11 Benford J., and Benford G. Survey of Pulse Shortening in High-Power

Microwave Sources // IEEE Trans, on Plasma Sci. 25(2), 311 (1997).

12 Kovalev N. F., Nechaev V. E., Petelin M. I., Zaitsev N. I. A scenario for output

pulse shortening in microwave generators driven by relativistic electron beams // IEEE Trans. Plasma Sei., 1998, Vol. 26, No 3, p. 246—251.

13 Лоза О. Т. О механизме укорочения сверхвысокочастотного импульса в

генераторах с сильноточным релятивистским электронным пучком // РиЭ, 2009, т.54, № 7, с. 887-889.

14 Богданкевич И.Л., Гришин Д.М., Гунин A.B. и др. Импульсно-периодический плазменный релятивистский СВЧ-генератор с управляемой в каждом импульсе частотой излучения // Физика плазмы, 2008, т.34,№10, с. 926-930.

15 Стрелков П. С., Ульянов Д. К. Спектры излучения плазменного релятивистского черепковского СВЧ-генератора // Физика плазмы, 2000, т. 26, № 4, с. 329.

16 Богданкевич И. Л., Лоза О. Т., Павлов Д. А. Управление спектром

излучения плазменных релятивистских СВЧ-генераторов // Физика плазмы, 2009, т.З5, № 3, с. 211—218.

17 Лоза О.Т., Ульянов Д.К., Баранов Р.В. Изменение частоты излучения

плазменного релятивистского сверхвысокочастотного генератора в течение импульса наносекундной длительности // ЖТФ, 2011, т. 81, вып. 3, с.98-102.

18 Ульянов Д.К., Баранов Р.В., Лоза О.Т., Ернылева С. Е., Богданкевич И.Л.

Управление частотой излучения плазменного релятивистского СВЧ генератора в течение импульса наносекундной длительности // ЖТФ, 2013, т.83, вып.10, с.113-116.

19 Ернылева С.Е., Богданкевич И.Л., Лоза О.Т.. Механизм укорочения

импульса излучения плазменного релятивистского СВЧ-генератора // Краткие сообщения по физике ФИАН, 2013, №7, стр. 10-23

20 Ернылева С.Е., Лоза О.Т. Устранение срыва излучения плазменного

релятивистского СВЧ-генератора // Краткие сообщения по физике ФИАН, 2014, №2, с.20-25

21 Ернылева С.Е., Лоза О.Т. Конфигурации импульсно-периодических плазменных релятивистских СВЧ-генераторов // Прикладная физика, 2014, №1, с.17-20

22 Ернылева С. Е., Литвин В. О., Лоза О. Т., Богданкевич И. Л. Перспективный источник мощных широкополосных СВЧ-импульсов с изменяемой до двух октав частотой излучения // ЖТФ, 2014, т.84, в.8, с.127-131.

23 Богданкевич И.Л., Ернылева С.Е., Лоза О.Т. Механизм укорочения

импульса излучения плазменного релятивистского СВЧ-генератора // Тезисы докладов 39-ой Международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы и У ТС, 2012 г, с.217.

24 Ернылева С.Е. Механизмы укорочения импульса излучения плазменного

релятивистского СВЧ-генератора // Сборник докладов 67-й Всероссийской конференции с международным участием «Научная сессия, посвященная Дню радио», Москва, 2012 г, с. 234.

25 Loza О., Ulyanov D., Bogdankevich I., Baranov R., Ernyleva S.. High-power

microwave frequency control in the course of nanosecond pulse // European Electromagnetics Symposium EUROEM 2012, Toulouse, France, p.34

26 Loza O., Ernyleva S., Bogdankevich I., Ulyanov D., Baranov R.. Overcoming

high-power microwave pulse shortening in plasma relativistic microwave oscillator // European Electromagnetics Symposium EUROEM 2012, 2-6 July 2012, Toulouse, France, p.35.

27 Ернылева C.E., Литвин В.О., Лоза О.Т. Источник мощных СВЧ-импульсов

наносекундной длительности с непрерывной перестройкой частоты излучения // Тезисы докладов 40-ой Международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы и У ТС, 2013 г, с. 225.

28 Ernyleva S.E., Litvin V.O., Loza О.Т., Bogdankevich I.L. Novel Plasma

Relativistic broadband source of high-power microwaves // Problems of atomic science and technology, 2013, №4(86).

29 Ернылева С.Е., Лоза О.Т. Предотвращение укорочения СВЧ-импульса в

плазменном релятивистском СВЧ-генераторе // Тезисы докладов 41-ой Международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы и УТС, 2014 г, с. 256.

30 Ernyleva S.E., Loza О.Т., Bogdankevich I.L. Project of compact plasma maser

with continuous spectrum within 2 octaves // AMEREM 2014 Book of abstracts, p.84.

31 Ernyleva S.E., Loza O.T., Tarakanov V.P. Remedying HPM pulse shortening in

plasma relativistic microwave oscillators // AMEREM 2014 Book of abstracts, p.85.

32 Кузелев M.B., Лоза O.T., Рухадзе А.А.и др. Плазменная релятивистская

СВЧ-электроника // Физика плазмы, 2001, том 27, N8, с. 710-733.

33 Кузелев М.В., Мухаметзянов Ф.Х., Шкварунец А.Г. Черенковская генерация низшей моды коаксиального плазменного волновода // Физика плазмы, 1983, т. 9, вып. 6, с. 1137-1141.

34 Кузелев М.В., Рухадзе А.А. Современное состояние теоретической релятивистской плазменной СВЧ-электроники // Физика плазмы, 2000, том 26, №3, с. 250-274

35 Кицанов С.А., Климов А.И., Коровин С.Д. и др. Резонансная релятивистская ЛОВ дециметрового диапазона с импульсной мощностью 5 GW // Письма в ЖТФ, 2003, т. 29, вып. 6, с. 87.

36 Лоза О.Т., Пономарев А.В., Стрелков П.С. и др. Источник трубчатой

плазмы с управляемым радиусом для плазменного релятивистского СВЧ-генератора // Физика плазмы, 1997, т.23, №3, с.222-229.

37 Кузелев М. В., Мухаметзянов Ф. X., Рабинович М. С. и др. Плазменный

СВЧ-геператор на сильноточном РЭП // Сб. "Релятивистская высокочастотная электроника", в. 3, 1983, с. 160.

38 Шкварунец А. Г., Рухадзе А. А., Стрелков П. С. Широкополосный

релятивистский плазменный СВЧ-генератор // Физика плазмы, 1994, т. 20, №7-8, с. 682-685.

39 Шкварунец А. Г. Широкополосный СВЧ-калориметр большой площади //

ПТЭ, 1996, № 4, с. 72.

40 Богданкевич И. Л., Стрелков П. С., Тараканов В. П. и др. Калориметрический спектрометр одиночных импульсов излучения приборов релятивистской СВЧ-электроники // ПТЭ, 2000, № 1, с. 92-97.

41 Кузелев М. В., Лоза О. Т., Пономарев А. В. и др. Спектральные

характеристики релятивистского плазменного СВЧ-генератора // ЖЭТФ, 1996, т. 109, №6, с. 2048-2063.

42 Карташов И. Н., Красилышков М. А., Кузелев М. В. Отражение электромагнитных волн от перехода волновода с трубчатой плазмой в вакуумный коаксиальный волновод // РиЭ, 1999, т. 44, № 12, с. 15021509.

43 Богданкевич И. Л., Иванов И. Е., Лоза О. Т., Рухадзе A.A., Стрелков П.С.,

Тараканов В.П., Ульянов Д.К. Тонкая структура спектров излучения плазменного релятивистского СВЧ-генератора // Физика плазмы, 2002, т. 28, №8, с. 748-757.

44 Богданкевич И.Л., Лоза О.Т., Павлов Д.А. О стабильности частоты

излучения плазменных релятивистских СВЧ-генераторов // Письма в ЖТФ, 2007, т. 33, вып. 15.

45 P.Drude, Zur Elektronentheorie der Metalle, Ann.d.Phys.,v.l,p.566,(1900)

46 Бэдсел Ч., Ленгдон А. Физика плазмы и численное моделирование.

М.:Энергоатомиздат, 1989.

47 Богданкевич И. Л., Лоза О. Т., Павлов Д. А. Укорочение импульса

излучения плазменного релятивистского СВЧ-генератора в численных расчетах с моделированием плазмы по методу крупных частиц // Краткие сообщения по физике ФИАН, 2010, в. 2, с. 16-30.

48 Павлов Д.А. Плазменный релятивистский СВЧ-генератор в численных

моделях // Диссертация на соискание у/с к.ф.-м.н., ИОФ РАН, М., 2010.

49 Баранов Р.В. Плазменный релятивистский СВЧ-генератор с управляемым

в течение импульса спектром излучения // Диссертация на соискание у/с к.ф.-м.н., РУДЫ, М., 2013.

50 Цагарейшвили Н. С. Пробой газов низкого давления в сверхсильных

неоднородных СВЧ полях // Физика плазмы, 1990, т. 16, №11, с. 13891391.

51 Бугаев С. П., Ким А. А., Кошелев В. И., Храпов П. А. О движении

эмиссионной границы катодной плазмы поперек однородного магнитного поля в диодах со взрывной эмиссией // Изв. АН СССР, сер. физич., 1982, т.46, в. 7, с.1300-1305.

52 Стрелков П. С., Лоза О. Т., Воронков С. Н. Коаксиальный диод с

магнитной изоляцией импульсного сильноточного ускорителя релятивистского электронного пучка микросекундной длительности // Патент РФ № 2030135 от 27 февраля 1995 г. Приоритет от 8 мая 1992 г, заявка № 5041576.

53 Воронков С. Н., Лоза О. Т., Стрелков П. С. Ограничение длительности

импульса излучения СВЧ генераторов на микросекундных РЭП // Физика плазмы, 1991, т. 17, вып. 6, с. 751-755.

54 Бугаев С. П., Ильин В. П., Кошелев В. И. и др. Формирование сильноточных релятивистских электронных пучков для мощных генераторов и усилителей СВЧ // Релятивистская высокочастотная электроника:[Сб.ст.]/ вып. 1, ИПФ АН СССР, Горький, 1979, с.5-75.

55 Bogdankevich I. L., Garate Е. P., Ivanov I. Е., Loza О. Т., et al. Highpower (50

MW), pulsed (500 ns), electronically tunable from 2 GHz, broadband (1 GHz) microwave source // Proc. of 43-rd annual meeting of Am. Phys. Society, Div. of Plasma Physics, October 29 — November 2, 2001, CA, USA.

56 Loza O.T., Strelkov P.S., and Ivanov I.E. Relativistic Cherenkov plasma maser

of microsecond pulse duration // IEEE Trans, on plasma science, 26(3), 336 (1998).

57 Лоза О.Т., Ульянов Д.К., Стрелков П.С., Иванов И.Е., Баранов Р.В.

Увеличение средней мощности излучения плазменного релятивистского СВЧ-генератора // Краткие сообщения по физике ФИАН, №4, 2011, с. 47-50.

58 Bogdankevich I.L., Rukhadze A.A., Strelkov P.S., Tarakanov V.P. Using PIC-

plasma model in the numerical simulation of a relativistic cherenkov plasma maser. Problems of Atomic Science and Technology, 2003, №1, Series Plasma Physics (9), p. 102-104.

59 Миллер P. Введение в физику сильноточных пучков заряженных частиц //

Москва «Мир» 1984.

60 Бугаев С. П., Литвинов Е. А., Месяц Г. А., Проскуровский Д. И. Взрывная

эмиссия электронов//УФН, 115(1), 101 (1975).

61 Беломытцев С. Я., Коровин С. Д., Месяц Г. А. Эффект экранировки в

сильноточных диодах // Письма в ЖТФ, 6(18), 1089 (1980).

62 Бастриков А. П., Бугаев С. П., Кошелев В. И. и др. О разлете катодной и

диафрагменной плазмы вдоль магнитного поля в бесфольговом диоде // Физика плазмы, 10(6), 1298 (1984).

63 Бурмасов В. С., Воропаев С. Г., Добривский А. Л. и др. Измерение

плотности плазмы в вакуумном диоде микросекундной длительности методом оптической интерферометрии // Физика плазмы, 12(4), 435 (1986).

64 Loza О.Т., Shkvarunets A.G., Strelkov P.S. Experimental Plasma Relativistic

Microwave Electronics // IEEE Trans, on Plasma Sei., June 1998, Vol. 26, #3,p. 615.

65 Стрелков П. С., Иванов И. Е., Шумейко Д. В. Плазменный релятивистский

СВЧ-усилитель с плавной перестройкой частоты от 2.4 до 3.2 ГГц // Физика плазмы, 2012, т. 38, №6, с. 536.

66 Яландин М.И., Шпак В.Г. Мощные малогабаритные импульсно-периодические генераторы субнаносекундного диапазона // ПТЭ, 2001, №3, с. 5.

67 Гришин Д.М., Губанов В.П., Коровин С.Д. и др. Генерирование мощных

субнаносекундных СВЧ-импульсов диапазона 38 GHz с частотой повторения до 3.5 kHz // Письма в ЖТФ, 2002, т.28, вып. 19, с.24.

68 M.Birau, J-M.Buzzi, Y.Caillez, et al. Generation of High-Power Microwave

due to propagation of a relativistic electron beam in plasma // Proc. 23-th Int. Conf. On Phenomena in ionized gases. (ICPIG'97), Toulouse, July 17-22, 1997, vol. Ill, pp.46-47.

69 Селиванов И.А., Стрелков П.С., Федотов A.B., Шкварунец А.Г. Одномодовый релятивистский плазменный СВЧ-генератор // Физика плазмы, 1989, т. 15, №11, с. 1283.

70 Пономарев А.В., Стрелков П.С., Шкварунец А.Г. Перестраиваемый

плазменный релятивистский СВЧ-усилитель // Физика плазмы, 2000, т.26, №7, с.633.

71 Веховская К. С., Богданкевич И. Л., Стрелков П.С. и др. Использование

большого тока электронного пучка в плазменном релятивистском СВЧ-генераторе // Прикладная физика, 2010, №5, с.54.

72 Калантаров П.Л., Цейтлин Л.А. Расчет индуктивностей: Справочная

книга. 3-е изд., перераб. и доп. Л.: Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ние, 1986.

/ ft