Новые возможности гирорезонансных приборов и СВЧ-компрессоров с электродинамическими системами в виде волноводов с винтовой гофрировкой поверхности тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.03, кандидат физико-математических наук Мишакин, Сергей Васильевич

• Мишакин, Сергей Васильевич
• кандидат физико-математических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Мишакин, Сергей Васильевич

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ РАСЧЕТА ВОЛНОВОДОВ

С ВИНТОВОЙ ГОФРИРОВКОЙ ПОВЕРХНОСТИ

1.1. Расчет дисперсии методами теории возмущений

1.2. Расчет дисперсии, основанный на решении эквивалентной двумерной задачи

1.2.1. Проекционный метод с базисом из мод круглого волновода

1.2.2. Векторный метод конечных элементов

1.3. Расчет систем с неоднородными параметрами гофрировки

1.4. Выводы по главе 1

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТЕЙ РЕАЛИЗАЦИИ ГИРОПРИБОРОВ С ВИНТОВЫМИ ВОЛНОВОДАМИ В БОЛЕЕ КОРОТКОВОЛНОВЫХ ДИАПАЗОНАХ

2.1. Упрощенная модель электронно-волнового взаимодействия

2.2. Сверхразмерные гиро-ЛОВ с неприосевыми электронными пучками

2.2.1. Гиро-ЛОВ на второй гармонике гирочастоты

2.2.2. Гиро-ЛОВ на основной гармонике гирочастоты

2.3. Гиро-ЛБВ на третьей гармонике гирочастоты

2.4. Выводы по главе 2

ГЛАВА 3. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫЕ СВЕРХРАЗМЕРНЫЕ

КОМПРЕССОРЫ ЧАСТОТНО-МОДУЛИРОВАННОГО СВЧ ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ ВИНТОВЫХ ВОЛНОВОДОВ

3.1. Оптимальные условия компрессии

частотно-модулированных импульсов

3.2. Экспериментальное исследование винтового компрессора на высоких модах

3.2.1. Электродинамическая система компрессора

3.2.2. Измерение дисперсии винтовой структуры

3.2.3. Исследование компрессии импульсов

3.3. Теоретическое исследование сверхразмерного многосекционного компрессора

3.3.1. Недостаточная эффективность винтового компрессора с постоянными параметрами гофрировки

3.3.2. Секционирование волновода-компрессора

3.3.3. Пример трехмерного расчета

3.4. Выводы по главе 3

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КОМПРЕССИИ МОЩНОГО ЧАСТОТНО-МОДУЛИРОВАННОГО СВЧ ИЗЛУЧЕНИЯ

4.1. Исследование релятивистской ЛОВ с перестройкой частоты

4.1.1. Эксперимент на ускорителе «СИНУС-б»

4.1.2 Эксперимент на ускорителе «КРОТ»

4.2. Исследование компрессии импульса ЛОВ

4.2.1. Эксперимент на ускорителе «СИНУС-б»

4.2.2. Эксперимент на ускорителе «КРОТ»

4.3. Выводы по главе 4

Заключение

Список публикаций автора по теме диссертации

Список цитированной литературы

Приложение 1. Дисперсионное уравнение нормальных волн

винтового волновода на основе разложения полей по пространственным

гармоникам

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Новые возможности гирорезонансных приборов и СВЧ-компрессоров с электродинамическими системами в виде волноводов с винтовой гофрировкой поверхности»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы диссертации

В последние десятилетия создание источников мощного когерентного микроволнового излучения с высокой непрерывной и импульсной мощностью является одной из актуальных задач радиофизики [1-8]. Несмотря на стремительное развитие твердотельных источников СВЧ излучения, существует широкий ряд фундаментальных (управляемый термоядерный синтез, спектроскопия высокого разрешения, ускорение частиц и др.) и прикладных (дальняя радиолокация, медицина, модификация свойств материалов) исследований в которых электровакуумные источники излучения занимают лидирующие позиции.

В миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн на сегодняшний день наиболее высокий уровень мощности излучения обеспечивается мазерами на циклотронном резонансе (МЦР), принцип работы которых основан на стимулированном излучении пучков заряженных частиц при винтовом движении во внешнем статическом магнитном поле [9-12]. Характерным отличием приборов МЦР типа от традиционных черенковских приборов является взаимодействие электронного пучка с быстрыми волнами электродинамической системы не прижатыми к ее поверхности, что позволяет использовать сверхразмерные системы и получать большие мощности на высоких частотах. Наибольшего развития среди МЦР получили гиротроны [5, 7, 13] (генераторы электромагнитных волн) и гироклистроны [14-16] (усилители волн), взаимодействие в которых происходит в резонансных электродинамических системах. Работа в условиях резонанса приводит к тому, что полоса мгновенного усиления излучения в гироклистронах и диапазон плавной перестройки частоты излучения в гиротронах оказываются относительно узкими, что бывает недостаточным для ряда приложений.

Для приложений, требующих более широкополосных источников излучения

миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн, в последние 15-20 лет идет активное теоретическое и экспериментальное исследование МЦР с нерезонансными электродинамическими системами - гиро-ЛОВ (генератор) [17] и гиро-ЛБВ (усилитель) [11]. Среди основных направлений исследований электронных приборов данного типа можно выделить повышение мощности и рабочей частоты, расширение диапазона плавной перестройки частоты (для гиро-ЛОВ) и мгновенной полосы усиления (для гиро-ЛБВ), повышение эффективности электронно-волнового взаимодействия, снижение величины рабочего магнитного поля. Сравнительно недавно в ИПФ РАН была предложена и реализована идея использования волноводов с винтовой гофрировкой в качестве электродинамических систем для широкополосных гиро-ЛОВ и гиро-ЛБВ [18-22]. Использование нормальной волны винтового волновода в качестве рабочей позволяет совместить широкополосность традиционных гиро-ЛОВ и гиро-ЛБВ со слабой чувствительностью к разбросу скоростей в электронном пучке, характерной для гиротронов. На данный момент создано несколько приборов данного типа [23, 10*, 23*, 24*], работающих в 3-см и 8-мм диапазонах длин волн.

Другими востребованными для приложений источниками когерентного СВЧ-излучения, являются короткоимпульсные источники сверхмощного (гигаваттного уровня) излучения сантиметрового и длинноволновой части миллиметрового диапазонов длин волн [2, 3, 6]. Наиболее надежными и хорошо исследованными приборами, способными обеспечить такой уровень мощности, являются черенковские релятивистские генераторы (РЛОВ) и усилители (РЛБВ) со взрывоэмиссиоными катодами [24]. Микроволновые источники на их основе работают при напряжениях от нескольких сотен киловольт до единиц мегавольт и обеспечивают выходные мощности 109-1010 Вт при длительности импульсов от единиц до десятков наносекунд. Помимо требований к параметрам излучения, для ряда исследовательских и прикладных задач, со стороны пользователей к таким установкам предъявляются также требования к их массогабаритным характеристикам с целью обеспечения их мобильности и доступности для исследований. С этой точки зрения путь повышения выходной мощности

излучения за счет увеличения тока и ускоряющего напряжения становится все менее популярным, и все большее количество исследований направлено на развитие методов повышения мощности, не связанных с наращиванием энергетики электронного пучка [25, 26]. Несколько лет назад, в ИПФ РАН была предложена концепция пассивной компрессии мощного частотно-модулированного излучения умеренно релятивистского генератора в волноводах с винтовой гофрировкой поверхности [27, 28]. Теоретические и экспериментальные исследования показали работоспособность данной концепции для получения мультигигаваттных пиковых мощностей в рассматриваемом частотном диапазоне.

Цели диссертационной работы

1. Развитие методов анализа свойств собственных волн волноводов с винтовой гофрировкой поверхности.

2. Теоретическое исследование возможности создания эффективных широкополосных МЦР усилителей и генераторов с винтовыми волноводами в более коротковолновых частотных диапазонах.

3. Экспериментальное и теоретическое исследование, направленное на создание высокоэффективных сверхразмерных СВЧ-комрессоров на основе волноводов с винтовой гофрировкой поверхности.

Научная новизна

В диссертационной работе получены следующие новые результаты:

1. Впервые для расчета дисперсии и распределения полей нормальных волн строгопериодических винтовых волноводов, используемых в качестве электродинамических систем гироприборов и СВЧ-компрессоров, использован метод замены координат, сводящий изначально трехмерную задачу к эквивалентной двумерной. В рамках расчета винтовых волноводов методом конечных элементов впервые произведен учет конечной проводимости стенок волновода на основе граничных условий импедансного типа.

2. Для расчета характеристик винтовых волноводов для гироприборов и СВЧ-компрессоров с неоднородными параметрами гофрировки разработана устойчивая численная схема на основе метода связанных волн.

3. Предложена конфигурация гиро-ЛОВ с винтовым волноводом, для формирования электронного пучка в которой могут быть использованы традиционные пушки магнетронно-инжекторного типа.

4. Предложена конфигурация винтовой гиро-ЛБВ миллиметрового диапа-зона длин волн на третьей гармонике гирочастоты.

5. Впервые в рамках экспериментального исследования компрессии частотно-модулированного излучения (на низком уровне мощности) в сверхразмерном волноводе с винтовой гофрировкой получено 23-кратное увеличение пиковой мощности излучения.

6. Предложен, разработан и теоретически исследован метод синтеза дисперсионной характеристики винтового волновода-компрессора под заданный закон частотной модуляции входного импульса, основанный на разбиении компрессора на несколько секций с отличающимися параметрами. Высокая эффективность метода синтеза дисперсии продемонстрирована на нескольких примерах, имеющих практическую значимость.

В 3-см диапазоне длин волн в системе релятивистская ЛОВ-винтовой волновод-компрессор впервые получена 4.5-кратная компрессия излучения с мультигигаваттной (3.2 ГВт) пиковой мощностью.

Практическая значимость

Результаты диссертационной работы активно используются в ИПФ РАН при разработке гироприборов и СВЧ-компрессоров с винтовыми волноводами. На основе результатов, изложенных в диссертации в Стратклайдском университете (Великобритания) разработан сверхразмерных волновод-компрессор 3-см

диапазона длин волн. Также результаты диссертации могут быть использованы при разработке ускорительных структур и селективных волноводных элементов с винтовыми волноводами.

Результаты диссертации могут быть использованы в ИПФ РАН, МРТИ РАН, ИРЭ РАН, ННГУ, ОИЯИ, ИОФ РАН, ФИ РАН, ИЯФ СО РАН, ИСЭ СО РАН, ННИИРТ, ЗАО НЛП «Гиком» и др.

Апробация результатов диссертационной работы

В общей сложности по теме диссертации опубликовано 10 статей в ведущих российских и зарубежных научных журналах, входящих в список ВАК, а также 15 докладов в трудах и сборниках отечественных и международных конференций.

Результаты диссертационной работы докладывались на научных семинарах Института прикладной физики РАН (ИПФ РАН), на конкурсах работ молодых учёных ИПФ РАН (2008, 2009, 2011 гг.), а также на международных и российских конференциях: 6th International Workshop "Strong Microwaves in Plasmas" (Нижний Новгород, Россия, 25 июля - 1 августа 2005 г.), The Joint 32nd International Conference on Infrared and Millimeter Waves and 15th International Conference on Terahertz Electronics (Кардифф, Великобритания, 2-7 сентября 2007 г.), 33rd International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (Пасадена, Калифорния, CILLA, 15-19 сентября, 2008 г.), 36th International Conference on Plasma Science and 23rd Symposium on Fusion Engineering (Сан-Диего, США, 31 мая - 5 июня 2009 г.), The 34th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (Бусан, Корея, 21-25 сентября 2009 г.), 35th International Conference on Infrared, Millimeter and THz Waves (Рим, Италия, 5-10 сентября 2010 г.), 8th International Workshop "Strong Microwaves and Terahertz Waves: Sources and Applications" (Нижний Новгород, Россия, 9-16 июля 20011 г.), 37th International Conference on Infrared, Millimeter and THz Waves (Вуллонгонг, Австралия, 23-28 сентября 2012 г.), 39th IEEE International Conference on Plasma Science (ICOPS) (Эдинбург, Шотландия, 8-12 июля 2012 г.), XII Всероссийская школа-семинар

«Физика и применение микроволн» («Волны-2009») (Звенигород, Московская область, Россия, 25-30 мая 2009 г.), XIII Нижегородская сессия молодых учёных (естественнонаучные дисциплины) (Татинец, Нижегородская область, Россия, 2025 апреля 2008 г.), XIV Нижегородская сессия молодых учёных (естественнонаучные дисциплины) (Дзержинец, Нижегородская область, Россия, 19-23 апреля 2009 г.), XV Нижегородская сессия молодых учёных (естественнонаучные дисциплины) (Красный Плёс, Нижегородская область, Россия, 19-24 апреля 2010 г.), VIII Всероссийский семинар по радиофизике миллиметровых и субмиллиметровых волн (Нижний Новгород, Россия, 1 -4 марта 2011 г.), IX Всероссийский семинар по радиофизике миллиметровых и субмиллиметровых волн (Нижний Новгород, Россия, 26 февраля-1 марта 2013 г.).

Личное участие автора в получении опубликованных результатов

Основу диссертации составили работы [1*-25*]. Все приведенные в диссертации теоретические исследования, численные расчеты и экспериментальные работы проведены либо автором лично, либо при его непосредственном участии. Большая часть численных расчетов, на основе которых изготавливались конкретные устройства, были выполнены автором лично.

В работах [8*, 9*, 21*, 22*], посвященных развитию методов расчета характеристик волноводов с винтовой гофрировкой поверхности вклад автора является определяющим.

Теоретические исследования, направленные на создание широкополосных гиро-JIOB и гиро-ЛБВ в более коротковолновых диапазонах частот, результаты которых частично изложены в работах [10*, 23*-25*], проводились автором при консультативной поддержке со стороны научного руководителя.

Экспериментальное исследование компрессии на низком уровне мощности [7*, 18*-20*] осуществлялось в рамках сотрудничества со Стратклайдским университетом (Великобритания). Разработка электродинамической системы

компрессора, включая систему волноводных преобразователей, осуществлялась автором под контролем научного руководителя. Экспериментальные исследования и обработка их результатов осуществлялись при непосредственном участии автора.

Идея секционирования винтовых волноводов для обеспечения более универсального согласования источника частотно-модулированного излучения и дисперсионной характеристики СВЧ компрессора была высказана научным руководителем автора. Конкретный вид такого секционирования и метод синтеза характеристик секций был предложен и исследован автором в совместных работах [6*, 17*].

В рамках экспериментального исследования компрессии мощного СВЧ излучения релятивисткой ЛОВ [1*-5*, 11*-16*] автор принимал непосредственное участие в разработке и измерениях дисперсионных свойств электродинамических систем компрессоров, проводил трехмерные расчеты электронно-волнового взаимодействия в РЛОВ, осуществлял обработку экспериментальных данных и участвовал в их интерпретации.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из Введения, четырех глав и Заключения. Объем диссертации составляет 183 страницы, включая 1 приложение, 71 рисунок, 2 таблицы и список литературы из 114 наименований.

Краткое содержание диссертации

Глава 1 посвящена развитию методов расчета характеристик волноводов с винтовой гофрировкой поверхности. Одной из основных задач при разработке электродинамических систем с винтовыми волноводами является расчет дисперсионных характеристик нормальных волн. Практика показывает, что такой расчет целесообразно проводить в два этапа. На первом этапе, с целью получения качественного представления о дисперсионной характеристике используется

какой-либо метод, основанный на теории возмущений. В п. 1.1 проводится сравнение двух методов теории возмущений, применимых для анализа дисперсионных характеристик винтовых волноводов - метода связанных волн [2931], и метода разложения полей по пространственным гармоникам [32, 33], наиболее широко применявшегося ранее для расчета осесимметричных периодических структур. На нескольких примерах показано преимущество метода пространственных гармоник.

На втором этапе исследования дисперсионной характеристики винтового волновода используется какой-либо численный метод, в котором решение электродинамической задачи ищется из "первых принципов", то есть на основе решения полных векторных уравнений Максвелла [34-36]. До настоящего времени расчеты такого рода для винтовых гироприборов и СВЧ-компрессоров осуществлялись на основе универсальных пакетов программ, в которых уравнения Максвелла решались в объеме одного периода гофрировки с граничными условиями Флоке. В п.1.2 представлены два алгоритма расчета дисперсионных характеристик периодических винтовых волноводов, основанные на строгой электродинамической эквивалентности винтовых волноводов и цилиндрических волноводов с неоднородным анизотропным заполнением [37-40]. Первый метод (п. 1.2.1) основан на композиции двух преобразований координат и последующем разложении полей по модам круглого волновода единичного радиуса [41]. Данный метод, несмотря на присущие ему ограничения (в частности, на геометрию поперечного сечения волновода) обладает рядом преимуществ перед более универсальными методами расчета, среди которых можно выделить простоту реализации, высокую скорость счета в случае умеренно сверхразмерных систем, а также возможность получения полей собственных волн в виде суперпозиции аналитических функций, удобном для последующего анализа. Кроме того, метод позволяет адекватно учитывать небольшие (иногда меньшие, чем размер численной сетки) но, тем не менее, важные с точки зрения некоторых паразитных эффектов, отклонения от заданного профиля поперечного сечения реального волновода, неизбежно возникающие в процессе его

изготовления. Как показали расчеты, результаты, полученные данным методом, уже при сравнительно небольшом количестве мод, использованных в разложении поля, очень близки к результатам, полученным с помощью 3-мерного кода.

В п. 1.2.2 изложен второй алгоритм расчета дисперсии собственных мод винтовых волноводов, основанный на векторном методе конечных элементов (МКЭ) в двумерной реализации. МКЭ [42], как более универсальный и как следствие более надежный метод может быть применен для более детального исследования собственных мод винтовых волноводов. В частности, он позволяет легко поставить граничные условия, учитывающие эффекты, связанные с конечной проводимостью стенок волновода. Численные расчеты дисперсионных диаграмм для нескольких винтовых структур показали что МКЭ в двумерной реализации при одинаковой, в масштабе длины волны, расчетной сетке сокращает времена счета в десятки раз по сравнению с трехмерными кодами, что позволяет использовать метод для точного расчета и оптимизации сверхразмерных структур.

Кроме расчета дисперсионных кривых рабочих и паразитных мод строго-периодических винтовых волноводов, важной является также задача расчета характеристик систем с неоднородными параметрами винтовой гофрировки. Наибольший интерес представляет задача согласования винтовых структур с входными и выходными волноводами, а именно расчет параметров прохождения, отражения и паразитного рассеяния излучения рабочего типа в системах конечной длины, сопряженных на обоих концах с круглыми волноводами. До последнего времени такой расчет осуществлялся на основе универсальных трехмерных кодов и являлся весьма затратным в случае систем большой длины. В п. 1.3 представлен приближенный метод расчета параметров прохождения, отражения и рассеяния излучения в волноводных системах с винтовыми волноводами, основанный на теории связанных волн. Формулировка задачи в рамках теории связанных волн [29-31] приводит к линейной краевой задаче для обыкновенных дифференциальных уравнений. Особенностью рассматриваемых винтовых систем

является тот факт, что в рабочем диапазоне частот одна из связываемых гофрировкой мод является закритической. В результате, среди решений появляются экспоненциально растущие и краевая задача становится численно неустойчивой. Для ее решения в данной работе был использован хорошо зарекомендовавший себя для такого рода задач метод направленной ортогонализации [43]. Построенная процедура решения была протестирована на двух примерах: расчет величины отражений рабочего типа колебаний в винтовом гиро-усилителе для нескольких конфигураций сходов гофрировки, а также задаче отражения и переизлучения рабочего типа колебаний в сверхразмерном винтовом волноводном компрессоре. Результаты расчетов на основе разработанной модели с достаточной точностью совпадают с трехмерными расчетами, значительно превосходя последние по скорости.

Глава 2 посвящена анализу возможностей продвижения широкополосных гиро-генераторов и гиро-усилителей с винтовыми волноводами в более коротковолновые диапазоны длин волн. В первоначально предложенной конфигурации гироприборов с винтовыми волноводами, на основе которой разработано большое количество приборов в 8-мм диапазоне длин волн [23], используется взаимодействие приосевого (или близкого к приосевому) электронного пучка с нормальной волной винтового волновода, являющейся суперпозицией квазикритической моды ТЕ2,1 и бегущей моды ТЕи круглого волновода, на второй гармонике циклотронной частоты. Прямое масштабирование существующих гироприборов сопряжено с рядом трудностей, главными из которых являются миниатюризация электродинамической системы прибора и системы формирования электронных пучков, а также необходимость создания сильных статических магнитных полей.

В п.2.2 исследуется возможность создания винтовой широкополосной гиро-ЛОВ 3-мм диапазона длин волн с неприосевым электронным пучком, для формирования которого может быть использована пушка магнетронно-инжекторного типа (МИП) [44]. МИП являются наиболее надежными и хорошо

освоенными системами формирования винтовых электронных пучков для гироприборов миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн и позволяют получать пучки с высокими значениями тока и питч-фактора электронов, обеспечивая при этом умеренный разброс по поперечным скоростям. Ключевым условием создания надежной МИП является достаточно большое значение величины радиуса ведущих центров пучка по отношению к величине циклотронного радиуса в пространстве взаимодействия. Практика разработки гиро-ЛОВ с винтовыми волноводами и гиротронов для технологических приложений [23, 45] в ИПФ РАН, также анализ литературных данных [46, 47] показывают, что при величине радиуса ведущих центров электронных орбит, превышающей циклотронный радиус более чем в 2.8-3.5 раза возможно создание эффективной МИП, в то время как при значении радиуса ведущего центра равного 1.5-2 циклотронных радиуса, положительных результатов существенно меньше. В рамках исследования были взяты параметры электронного пучка, характерные для данного частотного диапазона: ток составлял 2 А, энергия частиц - 30 кэВ, разброс электронов по поперечным скоростям - 30%.

Поскольку работа на высоких частотах требует высоких значений статических магнитных полей, большей привлекательностью обладают конфигурации гиро-ЛОВ, взаимодействие электронного пучка с волной в которых происходит на второй гармонике циклотронной частоты, при этом генерация на второй гармонике может подавляться паразитными взаимодействием пучка с модами электродинамической системы на основной циклотронной гармонике гирочастоты. В рамках исследования п. 2.2.1 было рассмотрено нескольких характерных конфигураций винтовой гиро-ЛОВ, в каждой из которых оптимизировались параметры винтовой гофрировки и положение ведущих центров электронного пучка с тем чтобы усилить электронно-волновое взаимодействие на второй гармонике (в частности, за счет малой групповой скорости волны) при одновременном ослаблении паразитного взаимодействия на основной гармонике. При этом отсекались конфигурации, в которых условия сильного электронно-волнового взаимодействия достигались при недостаточно

большом (в масштабах циклотронного радиуса) радиусе ведущих центров электронного пучка. Анализ стартовых режимов показал, что во всех рассмотренных случаях стартовый ток мод на второй гармонике гирочастоты не менее чем в 5 раз превышал стартовый ток для паразитных мод на основной гармонике, что делало генерацию на второй гармонике невозможной. Однако в одной из рассмотренных конфигураций парциальных мод параметры винтовой гофрировки могут быть выбраны таким образом, что в некоторой полосе частот синхронизм между электронным пучком и паразитной модой на основной гармонике отсутствует. Разработанная гиро-ЛОВ имеет ряд преимуществ перед использовавшейся ранее конфигурацией [48], главным из которых является относительно большая величина радиуса ведущих центров в 3.2 раза превышающего значение циклотронного радиуса. Тем не менее гиро-ЛОВ на второй гармонике не лишена недостатков, среди которых прежде всего следует отметить ее относительно малые сверхразмерность (средний диаметр составляет чуть более одной длины волны) и полосу плавной перестройки частоты (4% по уровню 1/2 от максимума выходной мощности, составляющей 2.3 кВт).

Поскольку созданию эффективной сверхразмерной гиро-ЛОВ на второй гармонике гирочастоты с неприосевым электронным пучком препятствует сильная конкуренция со стороны мод, взаимодействующих с электронным пучком на основной циклотронной гармонике, представляет интерес поиск более привлекательной электродинамической системы винтовой гиро-ЛОВ, работающей на основной гармонике гирочастоты. Выбор конфигурации диктовался несколькими требованиями, среди которых главными были достаточная сверхразмерность системы, селективность взаимодействия электронного пучка с рабочей модой во всем диапазоне перестройки магнитного поля, а также условие сильного электронно-волнового взаимодействия при использовании электронного пучка с радиусом ведущих центров в несколько раз превосходящем циклотронный радиус электронов в пучке. В п. 2.2.2 рассматривается умеренно сверхразмерная конфигурация (средний диаметр составляет 1.6 длины волны), представляющая собой винтовой волновод с 4-

заходной гофрировкой, нормальная рабочая волна в котором образуется при взаимном рассеянии квазикритической моды ТЕ 1,2 и бегущей моды ТЕ31 круглого волновода. Трехмерный расчет показал, что при перестройке магнитного поля в диапазоне 34-40 кЭ удается получить устойчивую генерацию на рабочей моде при максимальной мощности 2.8 кВт и при ширине полосы перестройки частоты 7% (полная ширина на уровне 1/2 от максимума). Радиус ведущих центров пучка составлял примерно 12 циклотронных радиусов, что позволяет использовать для гиро-ЛОВ на первой гармонике гирочастоты еще более простую и надежную МИЛ.

В п.2.3 рассматривается возможность создания широкополосного гиро-усилителя на третьей гармонике гирочастоты. Параметры электронного пучка были выбраны на основе параметров существующей винтовой гиро-ЛБВ на второй гармонике гирочастоты 8-мм диапазона длин волн [23,23*, 24*]: ток пучка составлял 10 А и энергия частиц - 70 кэВ, значение мощности, подаваемое на вход лампы было выбрано равным 500 Вт. В моделировании принималось во внимание наличие 40% начального скоростного разброса и разброса ведущих центров электронных траекторий в пучке. Кроме того, для сохранения селективности, как и в гиро-ЛБВ на второй гармонике, электронный пучок предполагался приосевым.

В результате проведенных исследований была найдена конфигурация электродинамической системы гиро-ЛБВ, представляющая собой винтовой волновод с 5-заходной гофрировкой селективно связывающей квазикритическую моду ТЕ3>1 и бегущую моду ТЕ2>1 круглого волновода. Также была разработана электродинамическая система ввода излучения в усилитель, обеспечивающая ввод более 90% мощности в рабочей полосе частот. Моделирование электронно-волнового взаимодействия в гиро-ЛБВ осуществлялось в рамках упрощенной модели и с использованием РЮ-кода. Расчетная модель Р1С-кода состояла из входного преобразователя мод, участка нарастания гофрировки длиной 4 периода, участка с регулярной гофрировкой, длина которого оптимизировалась, участка схода гофрировки на круглый волновод длиной 4 периода гофрировки, а также

выходного конуса. Кроме того, в рамках моделирования использовался неоднородный профиль магнитного поля, существующего соленоида.

С целью получения широкой полосы мгновенного усиления при высоком значении выходной мощности, была проведена оптимизация длины регулярного участка винтового волновода, а также величины среднего значения питч-фактора. Поскольку при моделировании учитывался разброс ведущих центров в электронном пучке, приводящий к паразитным взаимодействиям, значение этих величин было ограничено сверху самовозбуждением гиро-ЛБВ при отсутствии внешнего сигнала. В результате проведенной оптимизации было получено оптимальное значение параметров - средний питч-фактор 1.15, длина регулярной части волновода - 18 периодов гофрировки. При этих параметрах мгновенная полоса усиления гиро-ЛБВ (при фиксированном оптимальном магнитном поле 6.08 кЭ) составляла около 8% по уровню -3 дБ, при значении максимальной выходной мощности 80 кВт на частоте около 46 ГТц, что соответствовало усилению 22 дБ.

Несмотря на то, что электронный КПД, а следовательно и выходная мощность разработанного усилителя на третьей гармонике гирочастоты примерно в два раза ниже соответствующей мощности гиро-ЛБВ на второй гармонике гирочастоты, его выходные характеристики являются достаточно привлекательными для рассматриваемого частотного диапазона.

Глава 3 посвящена экспериментальному и теоретическому исследованию высокоэффективных компрессоров СВЧ излучения на основе волноводов с винтовой гофрировкой поверхности.

В п. 3.1 изложены теоретические модели, используемые при анализе компрессии, а также приведены условия согласования дисперсионной характеристики компрессора и закона частотной модуляции входного импульса, обеспечивающие оптимальную компрессию.

В п.3.2. представлены результаты эксперимента по компрессии частотно-

модулированного СВЧ излучения в 3-х сантиметровом диапазоне длин волн на низком уровне мощности. Данные исследования были выполнены в лаборатории Стратклайдского университета (г. Глазго, Великобритания) в рамках совместных работ с ИПФ РАН. Все необходимые компоненты были изготовлены в Великобритании. Разработанная электродинамическая система (п. 3.2.1), состояла из сверхразмерного винтового волноводного компрессора с 5-заходной гофрировкой и совокупности волноводных переходов и преобразователей. Частотно-модулированное излучение создавалось при помощи цифрового генератора, позволявшего получать радиосигналы с произвольной формой огибающей и произвольным законом модуляции частоты заполнения в пределах полосы 1 ГГц. Целью исследования являлась экспериментальная демонстрация возможности получения высоких коэффициентов компрессии при использовании сверхразмерного винтового волновода-компрессора.

Поскольку коэффициент компрессии ЧМ излучения по мощности без учета потерь примерно равен произведению длительности импульса на интервал модуляции частоты его заполнения [27, 49], в эксперименте диапазон частотной модуляции импульса, определяемый шириной участка монотонности групповой скорости, был выбран равным максимально возможному - от 9.6 до 9.0 ГГц. В условиях оптимального согласования (п.3.1), длительность входного импульса и длина компрессора прямо пропорциональны. Принимая во внимание ограниченность пространства для размещения экспериментальной установки, длительность входного импульса компрессора выбиралась с учетом того, что оптимальная длина компрессора не должна превышать трех метров.

В результате оптимизации параметров входного сигнала и длины компрессора (п.3.2.3) была получена 23-кратная компрессии входного излучения по мощности. Важной характеристикой компрессора является его КПД, т.е. отношение энергий «полезного» и входного импульсов. Если считать «полезной» частью скомпрессированного сигнала гауссообразный импульс, аппроксимирующий его основной лепесток, то в данном эксперименте КПД

составил 54%. При этом омические потери составляли около 30% от энергии входного импульса.

В эксперименте п.3.2 согласование, обеспечивающее оптимальную компрессию, осуществлялось в основном за счет подстройки частоты источника излучения под фиксированный закон дисперсии компрессора. Однако, например, в случае использования в качестве источника входного сигнала мощной ЛОВ с ускоряющим напряжением несколько сотен киловольт, возможности точной подстройки закона частотной модуляции её выходного импульса под заданную дисперсионную характеристику волновода-компрессора весьма ограничены. Поэтому в данной ситуации наиболее перспективным представляется оптимизация компрессии за счет модификации волновода-компрессора. В п.3.3 обсуждается одна из возможностей такой модификации, состоящая в секционировании волновода-компрессора (разбиении его по длине на несколько секций, отличающихся друг от друга параметрами гофрировки) и обеспечении, тем самым, эффективной компрессии импульсов с широким классом законов частотной модуляции. В п.3.3.1 на примере компрессии импульса с линейным законом частотной модуляции продемонстрирована недостаточная эффективность винтового волновода-компрессора с постоянными параметрами гофрировки. Рассмотренный пример показывает, что, несмотря на сравнительно узкий рабочий интервал частот, оптимальное согласование дисперсионной характеристики среды и закона частотной модуляции входного импульса играет очень важную роль в достижении максимально возможного коэффициента компрессии.

В п. 3.3.2. представлен алгоритм разбиения винтового волновода-компрессора на секции. В предложенном подходе каждая из секций имеет некоторую длину и постоянные параметры винтовой гофрировки. В пренебрежении эффектами, возникающими в относительно коротких переходных областях между секциями, можно показать что обратная групповая скорость (дисперсионная характеристика) секционированного компрессора является суммой парциальных дисперсионных характеристик входящих в компрессор

секций с относительными длинами секций в качестве весовых множителей. Сильная «изогнутость» типичной парциальной характеристики и наличие весовых коэффициентов определяют достаточно широкие возможности синтеза оптимальной дисперсионной характеристики компрессора для большого класса законов частотной модуляции входного импульса. Учитывая, что характерные изменения индивидуальной дисперсионной характеристики происходят в узком интервале частот, достаточно эффективным для синтеза произвольных зависимостей является набор парциальных характеристик, отличающихся друг от друга лишь небольшим (в пределах нескольких процентов) смещением по частоте. Такого смещения в случае винтовых волноводов можно добиться при изменении любого из трех параметров гофрировки, однако наиболее простым с точки зрения расчетов является их простое масштабирование. Таким образом, задача синтеза заданной зависимости сводилась к поиску дискретного набора масштабных и весовых коэффициентов. В данном пункте предложена одна из возможных процедур такого поиска, основанная на качественном анализе закона частотной модуляции входного сигнала для выбора масштабных коэффициентов и минимизации среднего интегрального отклонения синтезируемой дисперсионной зависимости от оптимальной, для определения относительных длин секций.

Эффективность предложенного алгоритма поиска параметров секций компрессора при заданном законе частотной модуляции входного импульса была продемонстрирована на нескольких примерах, имеющих прикладное значение. Как в случае спадающей, так и в случае растущей во времени частоты заполнения импульса, было показано, что уже при использовании всего трех секций волновода коэффициент компрессии может быть существенно увеличен и приближен к своему максимально возможному значению (п. 3.1).

Анализ, проведенный в п.3.3.2 основывался на упрощенной модели компрессии. Для проверки адекватности разработанного алгоритма в п. 3.3.3 выполнен тестовый расчет на основе трехмерного РОИ) кода. Структура,

состояла из трех секций, параметры которых были выбраны так, чтобы обеспечить эффективную компрессию частотно-модулированных импульсов с линейно спадающей от времени частотой заполнения в диапазоне 10.0-9.5 ГГц. Переходы между секциями с разными параметрами осуществлялись с помощью плавных согласующих участков длиной около половины продольного периода гофрировки. Данные переходы, в силу их малой длины, не оказывали существенного влияния на дисперсионную характеристику системы. Результаты трехмерных расчетов с хорошей точностью совпали с результатами расчетов на основе разработанного алгоритма.

Глава 4. Теоретические исследования и эксперименты на низком уровне мощности демонстрируют высокую эффективность пассивной компрессии СВЧ излучения при использовании волноводов с винтовой гофрировкой. Достижение мульгигаваттного уровня пиковой мощности скомпрессированного СВЧ излучения во многом зависит от успеха в реализации источника мощных импульсов достаточной длительности с плавной модуляцией частоты в диапазоне нескольких процентов. В данной главе представлены результаты экспериментальных исследований компрессии частотно-модулированных импульсов 3-х сантиметрового диапазона длин волн в винтовых волноводах, проведенных на высоковольтных сильноточных установках ИПФ РАН.

П.4.1 посвящен экспериментальному исследованию генерации мощных СВЧ импульсов релятивистской ЛОВ, разработанной и исследованной ранее [5052].

Первая часть экспериментальных исследований ЛОВ (п.4.1.1) была проведена на ускорителе «СИНУС-6» ИПФ РАН. Импульс ускоряющего напряжения данного ускорителя формируется с помощью трансформатора Тесла и длинной коаксиальной линии. В типичных режимах работы ускоритель обеспечивает импульсы напряжения до 600 кВ с током 6-7 кА, плоской вершиной длительностью 15 не и участками спадания/нарастания на фронтах длительностями 5-10 не. Эксперименты проводились в режиме разовых

импульсов, повторяющихся через 1-2 минуты.

Для получения частотно-модулированного импульса достаточной длительности необходим существенный спад напряжения в течение большого промежутка времени. Из-за особенностей конструкции ускорителя получение необходимого спада напряжения на основном участке импульса с помощью модификации внешних цепей является затруднительным. В рамках экспериментального исследования [3*], Н.Г. Колгановым был предложен способ решения данной проблемы, основанный на внутренней модификации катод-анодного пространства, состоящей во внесении в область магнитоизолированного коаксиального диода подвижного анодного цилиндра (металлического или диэлектрического) небольшой толщины, расстояние от которого до края катода могло механически изменяться от импульса к импульсу без развакуумирования рабочего объема. Основной эффект от диэлектрических цилиндров состоял в значительном изменении формы импульса напряжения. При определенном соотношении между расстоянием от кромки катода до края диэлектрического цилиндра, напряжение на вершине импульса заметно падало. Величина перепада регулировалась величиной расстояния от кромки катода до края диэлектрического цилиндра и при достаточно малых ее значениях (10-15 мм) могла достигать 200250 кВ. Падение напряжения в течение импульса приводило к модуляции частоты генерации ЛОВ в пределах нескольких процентов, необходимой для эффективной компрессии в винтовом волноводе.

П. 4.1.2 посвящен экспериментальному исследованию ЛОВ на ускорителе «КРОТ» ИПФ РАН. Успех в реализации релятивисткой ЛОВ с перестройкой частоты на ускорителе «СИНУС-6» стимулировал интерес к проведению экспериментальных исследований на более длинноимпульсном ускорителе «КРОТ» ИПФ РАН. Типичный импульс ускоряющего напряжения установки состоит из двух участков: относительно короткого участка нарастания напряжения и более длинного участка спадания напряжения. Первоначально экспериментальное исследование предполагалось проводить на участке

спадающего во времени напряжения. Была проведена серия экспериментов с частотно-перестраиваемой ЛОВ, в которых была получена генерация ЛОВ с достаточно высоким уровнем выходной мощности (несколько сотен мегаватт), однако, генерация ЛОВ прекращалась до начала спадающего участка напряжения и, соответственно, необходимая частотная модуляция не была достигнута. В связи с этим было принято решение использовать для генерации частотно-модулированных импульсов не спадающий участок ускоряющего напряжения, а его передний фронт. Следует отметить, что использование переднего фронта импульса в качестве рабочего участка ускоряющего напряжения предполагает растущую во времени частоту заполнения СВЧ импульса ЛОВ. Несмотря на то, что винтовой волновод компрессор более приспособлен к работе с импульсами с отрицательной модуляцией частоты, теоретическое рассмотрение главы 3 показывает, что эффективная компрессия импульсов с растущей во времени частотой также возможна. Экспериментальное исследование импульсов разработанной ЛОВ проводилось по схеме аналогичной той, что была использована при работе на ускорителе «СИНУС-6». В частности, в экспериментальной установке была использована та же система соленоидов, и та же замедляющая система. В то же время, в силу того, что изменение ускоряющего напряжения в течение импульса обеспечивалось самим ускорителем, модификация катод-анодного промежутка не производилась. Проведенные измерения показали, что исследуемая ЛОВ устойчиво работала и генерировала импульсы с мощностью порядка 300-400 МВт в течение 40-50 не. Частота излучения при этом плавно и монотонно увеличивалась в течение импульса в пределах 9.8-10.2 ГГц. На основе измерений мощности импульса ЛОВ и хода частоты его заполнения было проведено численное моделирование компрессии. Согласно расчетам полученный импульс мог бы быть эффективно скомпрессирован по времени с увеличением пиковой мощности излучения в 8-9 раз.

В п.4.2 представлены результаты экспериментальных исследований компрессии мощных частотно-модулированных импульсов релятивистской ЛОВ

в винтовых волноводах.

В п.4.2.1 представлены результаты экспериментов на установке "СИНУС -6". Для проведения эксперимента по компрессии импульсов релятивисткой ЛОВ с модуляцией частоты (п. 4.1.1) была разработана электродинамическая система, включавшая в себя сверхразмерный 5-заходный винтовой волновод-компрессор и серию волноводных элементов для транспортировки и преобразования излучения ЛОВ в рабочую волну компрессора. Для экспериментального исследования было изготовлено четыре секции винтового волновода с одинаковой регулярной гофрировкой: три секции по восемь периодов и одна секция длиной шесть периодов, что позволяло изменять длину структуры для оптимизации компрессии. Также было изготовлено две секции сходов гофрировки винтового волновода на волновод круглого сечения длиной три периода гофрировки каждая. Общая длина изготовленной структуры составляла около одного метра. Перед началом основного эксперимента по компрессии импульсов ЛОВ, было проведено измерение дисперсионных свойств изготовленного волновода-компрессора. При экспериментальном исследовании был использован метод, основанный на амплитудных измерениях на скалярной частотной панораме. Результаты проведенных измерений оказались в удовлетворительном соответствии с результатами трехмерных расчетов.

После измерения дисперсионной характеристики изготовленного компрессора было начато экспериментальное исследование, для которого релятивистская ЛОВ и винтовой волновод-компрессор были соединены через волноводный трансформатор в общую вакуумную систему. Оптимизация компрессии проводилась подбором параметров, влияющих на ход частотной модуляции и выходную мощность ЛОВ: расстояния между краями катода и диэлектрической вставки, диаметра электронного пучка, и общей длины регулярной части компрессора, варьируемой с помощью секции длиной 6 периодов. В результате оптимизации в скомпрессированном импульсе была получена пиковая мощность 3.2 ГВт, длительность импульса по полувысоте

составляла примерно 2.2 не. По отношению к импульсу с выхода ЛОВ, имевшему мощность 0.7 ГВт достигнута 4.5-кратная компрессия. При этом скомпрессированные импульсы демонстрировали высокую стабильность и повторяемость: вариации пиковой мощности от «выстрела» к «выстрелу» не превышали 10%. Полезная часть импульса составляла около 70% (остальная энергия уходила в омические потери и боковые лепестки импульса).

В п.4.2.2 представлены результаты экспериментов на установке "КРОТ". На основе анализа результатов измерения хода частоты импульсов ЛОВ на установке «КРОТ» (п. 4.1.2), был разработан и изготовлен сверхразмерный пятизаходный винтовой волновод длиной около 180 см. Дисперсия изготовленного компрессора была измерена в эксперименте. Результаты измерений оказались в хорошем соответствии с результатами расчетов.

Экспериментальное исследование компрессии на установке «КРОТ» имело некоторые особенности, отличающие его от исследования на установке «СИНУС -6». Основным их них являлась недостаточно широкая возможность контролировать параметры ускоряющего напряжения, и, как следствие, ограниченная возможность подстройки хода частоты импульса ЛОВ под изготовленный компрессор. Необходимость подстройки частоты СВЧ излучения ЛОВ в рамках экспериментального исследования возникала из-за того, что ход частоты ЛОВ (п. 4.1.2) был измерен с некоторой погрешность, вызванной, в свою очередь, несовершенством диагностики: из-за требований безопасности осциллограф, регистрирующий СВЧ излучение, находился на значительном расстоянии от самого источника и для передачи сигнала от детекторов требовалась система кабелей, искажавшая фазовый спектр сигнала. Вследствие указанных особенностей, экспериментальная оптимизация компрессии осуществлялась только варьированием диаметра пучка, а также модификацией некоторых параметров системы формирования импульса напряжения, изменение которых помимо ожидаемого результата давало также негативные побочные эффекты. В результате, оптимальная компрессия происходила в области

параметров, при которых проявляются эффекты характерные для формировании сильноточных релятивистских пучков достаточно большой длительности (расширение катодной плазмы, влияние коллекторной плазмы и т.п.).

Как следствие, в эксперименте не удалось достичь ожидаемых параметров генерации ЛОВ: максимальная мощность составляла около 250 МВт, а длительность СВЧ импульса была ограничена 40 не, в течение которых частота успевала перестроиться только на 0.25 ГГц. В результате на выходе компрессора было получено только 4-кратное (по сравнению с коэффициентами компрессии 10-15, достижимыми для 40-50 не импульсов с перестройкой частоты 0.4-0.5 ГГц) увеличение пиковой мощности до величины 1 ГВт. Тем не менее, ключевые моменты основной идеи исследования - а именно, возможность реализации релятивистской ЛОВ с быстрой перестройкой частоты и последующая компрессия импульса с нарастающей во времени частотой в винтовом волноводе, - были подтверждены.

В Заключении представлены основные результаты диссертации и положения, выносимые на защиту.

Заключение диссертации по теме «Радиофизика», Мишакин, Сергей Васильевич

Основные результаты

1. Для расчета характеристик электродинамических систем винтовых гиро-приборов и волноводов-компрессоров выбраны адекватные методы анализа и разработаны соответствующие численные алгоритмы и программы. Применение методов анализа на основе преобразования координат для расчета дисперсионных характеристик винтовых волноводов позволило обеспечить точность вычислений сравнимую с точностью универсальных трехмерных кодов при сокращении времени расчета в десятки раз.

2. Теоретически показана возможность создания винтовых гиро-ЛОВ с не-приосевыми электронными пучками на первой и второй гармониках гирочастоты. Расчет с помощью универсального трехмерного кода показал, что при использовании электронного пучка с током 2 А и энергией 30 кэВ выходная мощность разработанных гиро-ЛОВ составляет 2.3 и 2.8 кВт на частоте 95 ГГц при плавной перестройке частоты в диапазоне 4% и 7% для гиро-ЛОВ на второй и первой гармониках гирочастоты соответственно.

3. Разработан проект широкополосной гиро-ЛБВ на третьей гармонике гирочастоты 6-мм диапазона длин волн. Трехмерный расчет с помощью универсального кода показывает, что разработанная гиро-ЛБВ с током и энергией пучка 10 А и 70 кВ соответственно, обеспечивает мгновенную полосу усиления 8% в окрестности 45 ГГц, при максимальной выходной мощности 80кВт и усилении 22дБ.

4. В экспериментальном исследовании электропрочного сверхразмерного волновода-компрессора, при использовании маломощного генератора сигналов произвольной формы в качестве источника частотно-модулированного излучения, было получено 23-кратное увеличение пиковой мощности при соответствующем сжатии сигнала по времени.

5. Предложен и развит метод секционирования винтового волноводакомпрессора, позволяющий повысить эффективность компрессии частотно-модулированных импульсов в условиях жестко заданного закона частотной модуляции. Высокая эффективность развитого метода продемонстрирована на нескольких примерах расчетов компрессии импульсов как с растущей, так и спадающей во времени частотой модуляции, представляющих интерес с точки зрения приложений.

6. В экспериментальных исследованиях получена 4.5-кратная компрессия частотно-модулированного излучения релятивистской ЛОВ 3-см диапазона длин волн в сверхразмерном электропрочном винтовом волноводе-компрессоре, сопровождающаяся повышением пиковой мощности излучения с 0.7 до 3.2 ГВт.

Положения, выносимые на защиту

1. Разработанные методы расчета свойств нормальных волн винтовых волноводов являются более эффективными по сравнению с универсальными трехмерными алгоритмами.

2. Возможно создание сверхразмерных гиро-ЛОВ с плавной перестройкой частоты до 5-7% в коротковолновой части миллиметрового диапазона длин волн.

3. Возможно создание широкополосного гиро-усилителя с винтовым волноводом, работающего на третьей гармонике гирочастоты.

4. Секционирование волновода-компрессора существенно расширяет возможности подстройки его дисперсионной характеристики под заданный закон частотной модуляции входного импульса.

5. Комбинация умеренно-релятивистской ЛОВ и винтового волновода-компрессора позволяет получать импульсы с мультигигаваттной пиковой мощностью в 3-см диапазоне длин волн.

Список публикаций автора по теме диссертации

1*].Гаштури А.П., Денисов Г.Г., Мишакин С.В., Самсонов С.В. Расчет и оптимизация трехмерных волноводных систем методом интегрального уравнения // Известия ВУЗов. Радиофизика. 2008. Т.51, №9. С. 742-753.

2*].Gashturi А.Р., Denisov G.G., Mishakin S.V., Samsonov S.V. Calculation and optimization of 3D waveguiding systems with help of integral equation method // International Journal of Infrared and Millimeter Waves. 2009. V. 30, No. 4, P. 319327.

3*].Бечаснов A.M., Братман В.JI., Колганов Н.Г., Мишакин С.В., Самсонов С.В. Релятивистская ЛОВ с перестройкой частоты напряжением // Письма в ЖТФ. 2010. T.36,B.3.C. 96-103.

4*].Bratman V. L., Denisov G. G., Kolganov N. G., Mishakin S. V., Samsonov S. V., Cross A. W., He W., Zhang L., McStravick M., Whyte C. G., Young A. R., Ronald K., Robertson C. W., Phelps A. D. R. Generation of 3 GW micro-wave pulses in X-band from a combination of a relativistic backward-wave oscillator and a helical-waveguide compressor// Physics of Plasmas. 2010. V. 17. p. 110703.

5*].Братман В.Л., Денисов Г.Г., Колганов Н.Г., Мишакин С.В., Самсонов С.В., Соболев Д.И. Микроволновый источник мультигигаваттной пико-вой мощности на основе комбинации релятивистской ЛОВ и компрессора // ЖТФ. 2011. Т. 81, В. 2. С. 113-117.

6*]. Мишакин С.В., Самсонов С.В. "Оптимизация компрессии частотно-модулированных импульсов в секционированном волноводе с винто-вой гофрировкой поверхности" // ЖТФ. 2009. Т.79, В.11, С. 93-101.

7*].McStravick М., Samsonov S. V., Ronald К., Mishakin S. V., Не W., Denisov G. G., Whyte C. G., Bratman V. L., Cross A. W., Young A. R., Maclnnes P., Robertson C. W., Phelps A. D. R. Experimental results on microwave pulse compression using helically corrugated waveguide // Journal of Applied Physics. 2010. V. 108, No. 5. p. 054908.

8*].Мишакин C.B., Самсонов С.В. Метод расчета собственных мод винтового волновода, основанный на решении эквивалентной двумерной задачи путем разложения полей по модам круглого волновода // Известия ВУЗов.

Радиофизика. 2011. Т.54, №3. С. 195-206.

9*].Mishakin S.V., Samsonov S.V. Analysis of Dispersion and Losses in Helically Corrugated Metallic Waveguides by 2-D Vector Finite-Element Method // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2011. V. 59, No. 9, P. 2189 -2196.

10*]. Samsonov S.V., Denisov G.G., Gachev I.G., Eremeev A.G., Fiks A.S., Kholoptsev V.V., Kalynova G.I., Manuilov V.N., Mishakin S.V., Sokolov E.V. CW Ka-Band Kilowatt-Level Helical-Waveguide Gyro-TWT // IEEE Transactions on Electron Devices. 2012. V. 59, No. 8. P. 2250 - 2255.

11*]. Samsonov S.V., Bratman V.L., Denisov G.G., Kulygin M.L., Mishakin S.V., Cross A.W., Maclnnes P., He W., Phelps A.D.R., Burt G., Ronald K., Konoplev I.V., Young A.R., Whyte C.G. Helically corrugated waveguides for compression of pulses from a relativistic В WO // Proceedings of the 6th Int. Workshop Strong Microwaves in Plasmas, Nizhny Novgorod, Russia, 2005, Ed. by A.G. Litvak, 2006, P.191-196.

12*]. Denisov G.G., Gashturi A.P., Mishakin S.V., Samsonov S.V. Calculation of 3-D Waveguide Structures with EFIE // The Joint 32nd International Conference on Infrared and Millimeter Waves and 15th International Conference on Terahertz Electronics, Cardiff, UK, September 2-7, 2007, Conf. Digest Ed. by M.J. Griffin, P.C. Hargrave, T.J. Parker, K.P. Wood, P.779-780.

13*].McStravick M., Samsonov S.V., Cross A.W., Denisov G.G., He W., Ma-clnnes P., Phelps A.D.R., Bratman V.L., Ronald K.R., Konoplev I.V., Misha-kin S.V., Whyte C.G., Young A.R., Burt G. Helically Corrugated Waveguides for Compression of Microwave Pulses // 33rd International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, Pasadena, California, USA, September 15-19, 2008, Conf. Digest P. 1542-1543.

14*]. Bratman V.L., Samsonov S.V., Mishakin S.V., Denisov G.G., Kolganov N.G., McStravick M., Cross A.W., He W., Robertson C.W., Whyte C.G., Young A.R., Ronald K., Phelps A.D.R., Maclnnes P. Compression of pulses from a relativistic В WO using helically corrugated waveguides // 36th Int. Conf. on Plasma Science and 23rd Symposium on Fusion Engineering, May 31 - June 5, 2009, San Diego, USA, Book of Abstracts

15*].Братман В.Л., Колганов Н.Г., Самсонов С.В., Мишакин С.В. Компрессия СВЧ-импульсов 3-см диапазона длин волн до мультигигаваттных уровней мощности в волноводах с винтовой гофрировкой // Тезисы 15-й Нижегородской сессии молодых ученых (естественнонаучные дисциплины), Нижний Новгород, 19-22 апреля, 2010, С. 82-83.

16*].Samsonov S.V., Bratman V.L., Denisov G.G., Kolganov N.G., Mishakin S.V. Compression of FM pulses from an X-band relativistic В WO up to power of 3 GW // Proceedings of the 8th International Workshop "Strong Microwaves and Terahertz Waves: Sources and Applications", July 9 - 16, 2011, Nizhny Novgorod, P. 125-126.

17*].Самсонов C.B., Мишакин С.В. Компрессия частотно-модулированных импульсов в секционированном волноводе с винтовой гофрировкой поверхности // Тезисы XII Всероссийской школы-семинара "Физика и применение микроволн", Московская область, пансионат "Университетский", 25-30 мая, 2009, раздел 6, С. 83.

18*].McStravick М., Samsonov S.V., Ronald К., Mishakin S.V., Не W., De-nisov G.G., Whyte C.G., Bratman V.L., Cross A.W., Kolganov N.G., Young A.R., Phelps A.D.R., Robertson C.W., P. Maclnnes 5-fold helically corrugated waveguide dispersion measurements // The 35th International Conference on Infrared, Millimeter and THz Waves (IRMMW-THz 2010) Rome, Italy, September 5-10, 2010, p.Th.P.31.

19*].Zhang L., Cross A.W., He W., Robertson C.W., Young A.R., Whyte C.G., Ronald K., Phelps A.D.R., Samsonov S.V., Mishakin S.V., Denisov G.G., Bratman V.L., Kolganov N.G. X-band pulse compression using a five-fold helically corrugated waveguide // The 39th IEEE International Conference on Plasma Science (ICOPS), July 8-12, 2012, Edinburgh, Scotland , Conf. Proc. p. 2P-61.

20*]. Zhang L., Cross A.W., He W., Whyte C.G., McStravick M., Young A.R., Ronald K., Robertson C.W., Phelps A.D.R., Samsonov S.V., Mishakin S.V., Denisov G.G., Bratman V.L., Kolganov N.G. Pulse compression using a five-fold helically corrugated waveguide // 37th Int. Conf. on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves, University of Wollongong, Australia, Sept. 23 - 28, 2012, Conf. Proceedings p. Thu Pos-21.

21*].Мишакин С. В., Самсонов C.B. К теории волноводов с винтовой гофрировкой для гироприборов и СВЧ компрессоров // Тезисы 13-й Нижегородской сессии молодых ученых (естественнонаучные дисциплины), Нижний Новгород, 20-25 апреля, 2008, С. 119.

22*].Мишакин C.B., Самсонов C.B. Расчет собственных мод волноводов с винтовой гофрировкой поверхности, основанный на решении эквива-лентной двумерной задачи // Тезисы докладов VIII Всероссийского се-минара по радиофизике миллиметровых и субмиллиметровых волн, 1-4 марта 2011 г., Нижний Новгород, С. 57-58.

23*].Samsonov S.V., Denisov G.G., Gachev I.G., Kalynova G.I., Manuilov V.N., Mishakin S.V., Bykov Yu.V., Eremeev A.G., Holoptsev V.V. Development of helical-waveguide gyro-TWT and gyro-BWO // The 34th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, Busan, Korea, September 21-25, 2009, Conf. Proceedings, p. 09030269.

24*]. Samsonov S.V., Bogdashov A.A., Denisov G.G., Eremeev A.G., Gachev I.G., Holoptsev V.V., Ivanov V.Yu., Kalynova G.I., Kornishin S.Yu., Kurkin V.S., Manuilov V.N., Maslov V.V., Mishakin S.V., Plotnikov I.V., Smirnova T.M. Development of Helical-Waveguide Gyro-TWT at IAP // Proceedings of the 8th International Workshop "Strong Microwaves and Terahertz Waves: Sources and Applications", July 9 - 16, 2011, Nizhny Novgorod, P. 123-124.

25*]. Мишакин C.B., Самсонов C.B. Винтовая гиро-ЛБВ миллиметрового диапазона длин волн на третьей гармонике циклотронной частоты // Тезисы докладов IX Всероссийского семинара по радиофизике миллиметровых и субмиллиметровых волн, 26 февраля - 1 марта 2013 г., Нижний Новгород, С. 46-47.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Мишакин, Сергей Васильевич, 2013 год

Список цитированной литературы

[1]. Релятивистская высокочастотная электроника : Сборник статей под редакцией А.В. Гапонова-Грехова. Горький : ИПФ АН СССР, 1979.

[2]. Applications of High Power Microwaves Gaponov-Grekhov A.V., Granatstein V.L. Norwood, MA : Artech House, 1994.

[3]. High-power microwave sources and technologies.Barker R.J., Schamiloglu E. New York : IEEE Press, 2001.

[4]. Вакуумная СВЧ электроника. Сборник обзоров под ред. М.И. Петелина. Н.Новгород : ИПФ РАН, 2002.

[5]. Modern Microwave and Millimeter-Wave Power Electronics Barker R.J., Luhmann N.C., Booske J.H., Nusinovich G.S. Piscataway, NJ : IEEE Press, 2005.

[6]. Benford J., Swegle J.A., Schamiloglu E. High power microwaves, second edition New York : Taylor & Francis, 2007.

[7]. Nusinovich G.S. Introduction to the Physics of Gyrotrons. Baltimore, Maryland : Johns Hopkins University Press, 2004.

[8]. Капица П.JI. Электроника больших мощностей. М.: Изд-во АН СССР, 1962.

[9]. Twiss R.Q. Radiation transfer and the possibility of negative absorption in radio astronomy // Australian Journal of Physics. 1958. V. 11, № 4. P. 564-579.

[10]. Schneider J. Stimulated emission of radiation by relativistic electrons in a magnetic field // Physical Review Letters. 1959. V. 2, № 12. P. 504-505.

[11]. Гапонов А.В. Возбуждение линии передачи непрямолинейным электронным пучком // Известия ВУЗов. Радиофизика. 1959. Т. 2, № 3. С. 443.

[12]. Железняков В.В. О магнитотормозном излучении и неустойчивости системы заряженных частиц в плазме // Известия ВУЗов. Радиофизика. 1959. Т. 2, № 1.С. 14-27.

[13]. Гапонов А.В., Петелин М.И., Юлпатов В.К. Индуцированное излучение возбужденных классических осцилляторов и его использование в

высокочастотной электронике // Известия ВУЗов. Радиофизика. 1967. Т. 10, №9-10. С. 1414.

[14]. Гапонов A.B., Гольденберг А.Л., Юлпатов В.К. Мазер на циклотронном резонансе с двумя резонаторами (МЦР-клистрон) // Тез. докл. на 5-й межвузовской конференции по электронике СВЧ. (Саратов). 1966. С. 20.

[15]. Ngo М.Т., Danly B.G., Myers R., Pershing D.E., Gregers-Hansen V., Linde G. High-power millimeter-wave transmitter for the NRL WARLOC radar // Third IEEE International Vacuum Electronics Conference (IVEC). 2002. P. 363-364.

[16]. Blank M., Danly В., Levush В., Latham P., Pershing D. Experimental demonstration of a W-band gyroklystron amplifier // Physical Review Letters. 1997. V. 79, № 22. P. 4485-4488.

[17]. Pantell R.H. Backward-wave oscillations in an unloaded waveguide // Proc. IRE. 1959. V. 47. P. 1146.

[18]. Denisov G.G., Cooke S.J. New microwave system for gyro-TWT // Digest 21st Int. Conf. Infrared and Millimeter Waves (Berlin, Germany, 1996, ed. by M. von Ortenberg and H.-U. Mueller). 1996. P. AT2.

[19]. Denisov G.G., Bratman V.L., Phelps A.D.R., Samsonov S.V. Gyro-TWT with a Helical Operating Waveguide: New Possibilities to Enhance Efficiency and Frequency Bandwidth // Digest of 22nd Int. Conf. on Infrared and Millimeter Waves (Wintergreen, USA, 1997, Ed. by H.P. Freund). 1997. P. 289.

[20]. Cooke S.J., Denisov G.G. Linear theory of a wide-band gyro-TWT amplifier using spiral waveguide // IEEE Transactions on Plasma Science. 1998. V. 26, № 3.P. 519-530.

[21]. Bratman V.L., Cross A.W., Denisov G.G., He W., Phelps A.D.R., Ronald K., Samsonov S.V., Whyte C.G., Young A.R. High-Gain Wide-Band Gyrotron Traveling Wave Amplifier with a Helically Corrugated Waveguide // Physical Review Letters. 2000. V. 84, № 12. P. 2746.

[22]. Samsonov S.V., Denisov G.G., Bratman V.L., Bogdashov A.A., Glyavin M.Y., Luchinin A.G., Lygin V.K., Thumm M.K. Frequency-tunable CW gyro-BWO

with a helically rippled operating waveguide // IEEE Transactions on Plasma Science. 2004. V. 32, № 3. P. 884-889.

[23]. Братман B.JI., Денисов Г.Г., Самсонов C.B., Кросс А.У., Фелпс А.Д.Р., Хе В. Высокоэффективные широкополосные гиро-ЛБВ и гиро-ЛОВ со спирально-гофрированными волноводами // Известия ВУЗов. Радиофизика. 2007. Т. 50, №2. С. 104.

[24]. Gold S.H., Nusinovich G.S. Review of high-power microwave source research // Review of Scientific instruments. 1997. V. 68, № 11. P. 3945-3974.

[25]. Ginzburg N.S., Novozhilova N.Y., Zotova I.V., Sergeev A.S., Peskov N.Y., Phelps A.D.R., Wiggins S.M., Cross A.W., Ronald K., He W. Generation of powerful subnanosecond microwave pulses by intense electron bunches moving in a periodic backward wave structure in the superradiative regime // Physical Review E. 1999. V. 60, № 3. P. 3297.

[26]. Eltchaninov A.A., Korovin S.D., Rostov V.V., Pegel I.V., Mesyats G.A., Rukin S.N., Shpak V.G., Yalandin M.I., Ginzburg N.S. Production of short microwave pulses with a peak power exceeding the driving electron beam power // Laser and particle beams. 2003. V. 21, № 2. P. 187-196.

[27]. Samsonov S.V., Phelps A.D.R., Bratman V.L., Burt G., Denisov G.G., Cross A.W., Ronald K., He W., Yin H. Compression of frequency-modulated pulses using helically corrugated waveguides and its potential for generating multigigawatt rf radiation // Physical Review Letters. 2004. V. 92, № 11. P. 118301.

[28]. Burt G., Samsonov S.V., Phelps A.D., Bratman V.L., Ronald K., Denisov G.G., He W., Young A.R., Cross A.W., Konoplev I.V. Microwave pulse compression using a helically corrugated waveguide // IEEE Transactions on Plasma Science. 2005. V. 33, №2. P. 661-667.

[29]. Каценеленбаум Б.З. Теория нерегулярных волноводов с медленно меняющимися параметрами. М.: Изд-во Академии наук СССР, 1961.

[30]. Ковалев Н.Ф., Орлова И.М., Петелин М.И. Трансформация волн в многомодовом волноводе с гофрированными стенками // Известия ВУЗов. Радиофизика. 1968. Т. 11, № 5. С. 783-786.

[31]. Денисов Г.Г., Резников М.Г. Гофрированные резонаторы для коротковолновых релятивистских СВЧ генераторов // Известия ВУЗов. Радиофизика. 1982. Т. 25, № 5. С. 562.

[32]. Ковалев Н.Ф. Электродинамическая система ультрарелятивистской ЛОВ // Электронная техника. Серия 1, электроника СВЧ. 1978, № 3. С. 102-106.

[33]. Ковалев Н.Ф. Исследования высокочастотных генераторов обратной волны, основанных на индуцированном черенковском излучении сильноточных релятивистских электронных потоков : дис.... канд. физ.-мат. наук: 01.04.04 / Горький: ИПФ АН СССР, 1983. 173 с.

[34]. CST Microwave Studio. Wellesley Hills. MA : Computer Simulation Technology, www.cst.com.

[35]. HFSS. 3D Full-wave Electromagnetic Field Simulation. Pittsburgh. PA : Ansoft Corp. www.ansoft.com.

[36]. Tarakanov V.P. User's Manual for Code KARAT. Springfield, VA : BRA, 1992.

[37]. Nicolet A., Zolla F., Guenneau S. Modelling of twisted optical waveguides with edge elements // The European Physical Journal Applied Physics. 2004. V. 28, № 2. P. 153-157.

[38]. Nicolet A., Zolla F. Finite element analysis of helicoidal waveguides // Science, Measurement & Technology, IET. 2007. V. 1, № 1. P. 67-70.

[39]. Nicolet A., Zolla F., Agha Y.O., Guenneau S. Leaky modes in twisted microstructured optical fibers // Waves in Random and Complex Media. 2007. V. 17, №4. P. 559-570.

[40]. Wilson J.L., Wang C., Fathy A.E., Kang Y.W. Analysis of rapidly twisted hollow waveguides // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2009. V. 57, № l.P. 130-139.

[41]. Свешников А.Г. К обоснованию метода расчета распространения электромагнитных колебаний в нерегулярных волноводах // Журнал

вычислительной математики и математической физики. 1963. Т. 3, № 2. С. 314-326.

[42]. Jin J.-M. The finite element method in electromagnetics, second edition. New York : Wiley, 2002.

[43]. Быков A.A., Ильинский A.C. Решение краевых задач для линейных систем обыкновенных дифференциальных уравнений методом направленной ортогонализации // Журнал вычислительной математики и математической физики. 1979. Т. 19, № 3. С. 631-639.

[44]. Гольденберг А.Л., Петелин М.И. Формирование винтовых электронных пучков в адиабатической пушке // Известия ВУЗов. Радиофизика. 1973. Т. 16, № 1. С. 141-149.

[45]. Bykov Y., Eremeev A., Glyavin M., Kholoptsev V., Luchinin A., Plotnikov I., Denisov G., Bogdashev A., Kalynova G., Semenov V. 24-84-GHz gyrotron systems for technological microwave applications // IEEE Transactions on Plasma Science. 2004. V. 32, № 1. P. 67-72.

[46]. Nguyen K.T., Calame J.P., Pershing D.E., Danly B.G., Garven M., Levush В., Antonsen Jr T.M. Design of a Ka-band gyro-TWT for radar applications // IEEE Transactions on Electron Devices. 2001. V. 48, № 1. P. 108-115.

[47]. Yan R., Luo Y., Liu G., Pu Y. Design and Experiment of a Q-band Gyro-TWT Loaded With Lossy Dielectric // IEEE Transactions on Electron Devices. 2012. V. 59, № 12. P. 3612-3617.

[48]. He W., Ronald K., Young A.R., Cross A.W., Phelps A.D.R., Whyte C.G., Rafferty E.G., Thomson J., Robertson C.W., Speirs D.C., Samsonov S.V., Bratman V.L., Denisov G.G. Gyro-BWO experiments using a helical interaction waveguide // IEEE Transactions on Electron Devices. 2005. V. 52, № 5. P. 839844.

[49]. Виноградова М.Б., Руденко O.B., Сухоруков А.П. Теория волн. М. : Наука, 1990.

[50]. Samsonov S.V., Bratman V.L., Burt G.C., Cross A.W., Denisov G.G., Phelps A.D.R., Ronald K. Generation and compression of frequency modulated pulses

from a relativistic В WO // International Conference on High-Power Particle Beams (BEAMS 2004). 2004. P. 430-433.

[51]. Denisov G.G., Bratman V.L., Kolganov N.G., Samsonov S.V. Compression of frequency-modulated pulses from a relativistic В WO up to multigigawatt powers // Proceedings of the 8th IEEE International Vacuum Electronics Conference (IVEC'07). 2007. P. 227.

[52]. Братман В.Л., Денисов Г.Г., Самсонов C.B., Кросс А.У., Рональд К., Фелпс А.Д.Р. Метод достижения мультигигаваттной пиковой мощности путем компрессии импульсов СВЧ излучения релятивистской лампы обратной волны в винтовом волноводе // Известия ВУЗов. Радиофизика. 2007. Т. 50, № 1.С. 40.

[53]. Fuks M.I., Kovalev N.F. Selective multichannel feedback // IEEE Transactions on Plasma Science. 2002. V. 30, № 3. P. 1147-1150.

[54]. Ginzburg N.S., Malkin A.M., Peskov N.Y., Sergeev A.S., Kaminsky A.K., Sedykh S.N., Perelshtein E.A., Sergeev A.P., Elzhov A.V. Improving selectivity of free electron maser with ID Bragg resonator using coupling of propagating and trapped waves // Physical Review Special Topics-Accelerators and Beams. 2005. V. 8, № 4. P. 040705.

[55]. Абубакиров Э.Б., Ковалев Н.Ф., Колганов Н.Г., Фукс М.И. Особенности работы релятивистских оротронов на модах шепчущей галереи // Тез. докл. 7-го Всесоюзн. симп. по сильноточной электронике (Томск). 1988. Т. 1. С. 185-187.

[56]. Wilson J., Kang Y., Fathy A. Twisted structures and their application as accelerating structures // Proceedings of the 2008 Linear Accelerator Conference. 2008.

[57]. Гольденберг А.Л., Нусинович Г.С., Павельев А.Б. Дифракционная добротность резонатора с винтовым гофром // Гиротроны Горький : ИПФ РАН, 1980. С. 91.

[58]. Bratman V.L., Denisov G.G., Kol'chugin B.D., Korovin S.D., Polevin G.D., Rostov V.V. Powerful millimeter-wave generators based on the stimulated

Cerenkov radiation of relativistic electron beams // International journal of infrared and millimeter waves. 1984. V. 5, № 9. P. 1311-1332.

[59]. Wilson J.L., Fathy A.E., Kang Y.W., Wang C. Applications of twisted hollow waveguides as accelerating structures // IEEE Transactions on Nuclear Science. 2009. V. 56, № 3. P. 1479-1486.

[60]. Denisov G.G., Bratman V.L., Phelps A.D.R., Samsonov S.V. Gyro-TWT with a Helical Operating Waveguide: New Possibilities to Enhance Efficiency and Frequency Bandwidth // IEEE Transactions on Plasma Science. 1998. V. 26, № 3.P. 508.

[61]. Denisov G.G., Bratman V.L., Cross A.W., He W., Phelps A.D.R., Ronald K., Samsonov S.V., Whyte C.G. Gyrotron traveling wave amplifier with a helical interaction waveguide // Physical Review Letters. 1998. V. 81, № 25. P. 5680.

[62]. He W., Cross A., Phelps A., Ronald K., Whyte C., Samsonov S., Bratman V., Denisov G. Theory and simulations of a gyrotron backward wave oscillator using a helical interaction waveguide // Applied Physics Letters. 2006. V. 89, № 9. P. 091504.

[63]. Burt G., Samsonov S.V., Ronald K., Denisov G.G., Young A.R., Bratman V.L., Phelps A.D.R., Cross A.W., Konoplev I.V., He W. Dispersion of helically corrugated waveguides: Analytical, numerical, and experimental study // Physical Review E. 2004. V. 70, № 4. P. 046402.

[64]. Силин P.А., Сазонов В.П. Замедляющие системы. M. : Сов. радио, 1966.

[65]. Lewin L., Ruehle Т. Propagation in twisted square waveguide // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 1980. V. 28, № 1. P. 44-48.

[66]. Yabe H., Nishio K., Mushiake Y. Dispersion characteristics of twisted rectangular waveguides // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 1984. V. 32, № 1. P. 91-96.

[67]. Свешников А.Г. Возбуждение нерегулярных волноводов // Научные доклады высшей школы. Физико-математические науки. 1959, № 2. С. 162164.

[68]. Persson P.-O., Strang G. A simple mesh generator in MATLAB // SLAM review. 2004. V. 46, № 2. P. 329-345.

[69]. Lehoucq R.B., Sorensen D.C., Yang C. ARPACK users' guide: solution of large-scale eigenvalue problems with implicitly restarted Arnoldi methods. : SIAM, 1998.

[70]. Бахвалов H.C., Жидков Н.П., Кобельков Г.М. Численные методы. Физматлит, М. СПб : Физматлит, 2000.

[71]. Hirshfield J.L., Granatstein V.L. The electron cyclotron maser~An historical survey // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 1977. V. 25, № 6. P. 522-527.

[72]. Wang H., Li H., Luo Y., Yan R. Theoretical and experimental investigation of a Ka-band Gyro-TWT with lossy interaction structure // Journal of Infrared, Millimeter and Terahertz Waves. 2011. V. 32, № 2. P. 172-185.

[73]. Liu В., Feng J., Wang E., Li Z., Zeng X., Qian L., Wang H. Design and experimental study of a Ka-band Gyro-TWT with periodic dielectric loaded circuits // IEEE Transactions on Plasma Science. 2011. V. 39, № 8. P. 1665-1672.

[74]. Sirigiri J., Shapiro M., Temkin R. Experimental results from the MIT 140 GHz quasioptical Gyro-TWT // Twenty Seventh International Conference on Infrared and Millimeter Waves. Conference Digest. 2002. P. 235-236.

[75]. Chong C., McDermott D., Luhmann N. Slotted third-harmonic gyro-TWT amplifier experiment // IEEE Transactions on Plasma Science. 1996. V. 24, № 3. P. 727-734.

[76]. Leou K., McDermott D., Balkcum A., Luhmann Jr N. Stable high-power TE0i gyro-TWT amplifiers // IEEE Transactions on Plasma Science. 1994. V. 22, № 5. P. 585-592.

[77]. Symons R.S., Jory H., Hegji S., Ferguson P. An experimental gyro-TWT // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 1981. V. 29, № 3. P. 181184.

[78]. Blank M., Borchard P., Cauffman S., Felch K. Design and demonstration of W-band gyrotron amplifiers for radar applications // Joint 32st International

Conference on Infrared Millimeter Waves and 15th International Conference on Teraherz Electronics. 2007. P. 364-366.

[79]. Denisov G.G., Bykov Y.V., Eremeev A.G., Glyavin M.Y., Luchinin A.G., Morozkin M.M., Samsonov S.V. Prospective gyro-devices for technological applications // IEEE International Vacuum Electronics Conference (IVEC). 2009. P. 513-514.

[80]. Goplen В., Ludeking L., Smith D., Warren G. User-configurable MAGIC for electromagnetic PIC calculations // Computer Physics Communications. 1995. V. 87, № l.P. 54-86.

[81]. Вайнштейн Л.А., Солнцев B.A. Лекции по сверхвысокочастотной электронике. М. : Советское радио, 1973.

[82]. Братман В.Л., Моисеев М.А., Петелин М.И., Эрм Р.Э. К теории гиротронов с нефиксированной структурой высокочастотного поля // Известия ВУЗов. Радиофизика. 1973. Т. 16, № 4. С. 622-630.

[83]. Donaldson C.R., Не W., Phelps A.R., Li F., Zhang L., Cross A.W., Ronald K., Robertson C.W., Whyte C.G., Young A.R. Experimental demonstration of a W-band gyro-BWO using a helically corrugated waveguide. : IEEE, 2010. 1-3.

[84]. McDermott D.B., Luhmann N.C., Kupiszewski A., Jory H.R. Small-signal theory of a large-orbit electron-cyclotron harmonic maser // Physics of Fluids. 1983. V. 26, №7. P. 1936-1941.

[85]. Черепенин B.A. Нетепловое воздействие электромагнитного излучения на естественные и искусственные среды // В сб. «Вакуумная СВЧ электроника» под ред. М.И. Петелина Н. Новгород : ИПФ РАН, 2002. С. 45.

[86]. Большаков М.А., Бугаев С.П., Гончарик А.О., Гунин А.В., Евдокимов Е.В., Климов А.И., Коровин С.Д., Пегель И.В., Ростов В.В. Воздействие мощного микроволнового излучения наносекундной длительности на некоторые биологические объекты // ДАН. 2000. Т. 371, № 5. С. 691-695.

[87]. Бугаев С.П., Канавец В.И., Кошелев В.И., Черепенин В.А. Релятивистские многоволновые СВЧ-генераторы. Новосибирск : Наука. Сиб. отд-ние, 1991.

[88]. Бугаев С.П., Канавец В.И., Климов А.И., Кошелев В.И., Слепков А.И., Черепенин В.А. Взаимодействие электронного потока и электромагнитного поля в многоволновом черенковском генераторе с мощностью Ю10 ватт // Радиотехника и электроника. 1987. Т. 32, № 7. С. 1488.

[89]. Eltchaninov А.А., Korovin S.D., Mesyats G.A., Pegel I.V., Rostov V.V., Shpak V.G., Yalandin M.I. Review of studies of superradiative microwave generation in X-band and Ka-band relativistic BWOs // IEEE Transactions on Plasma Science. 2004. V. 32, № 3. P. 1093-1099.

[90]. Коровин С.Д., Месяц Г.А., Ростов B.B., Ульмаскулов М.Р., Шарыпов К.А., Шпак В.Г., Шунайлов С.А., Яландин М.И. Высокоэффективная генерация импульсов субнаносекундной длительности в релятивистской ЛОВ миллиметрового диапазона длин волн // Письма в ЖТФ. 2002. Т. 28, № 2. С. 81.

[91]. Phelps A.D.R., Samsonov S.V., Burt G.C., Denisov G.G., Cross A.W., Bratman V.L., He W., Ronald K., Yin H. Compression of frequency modulated microwave pulses in wave-guides // 4th IEEE International Conference on Vacuum Electronics. 2003. P. 54-55.

[92]. Ширман Я.Д. Разрешение и сжатие сигналов. М.: Сов. Радио, 1974.

[93]. Ахманов С.А., Выслоух В.А., Чиркин А.С. Оптика фемтосекундных лазерных импульсов. М.: Наука, 1988.

[94]. Пономарев А.В., Стрелков П.С., Шкварунец А.Г. Перестраиваемый плазменный релятивистский СВЧ-усилитель // Физика плазмы. 2000. Т. 26, №7. С. 663.

[95]. Пономарев А.В., Стрелков П.С. 50-мегаваттный широкополосный плазменный СВЧ-усилитель // Физика плазмы. 2004. Т. 30, № 1. С. 66.

[96]. Kuzelev M.V., Loza О.Т., Rukhadze А.А., Strelkov P.S., Shkvarunets A.G. Plasma relativistic microwave electronics // Plasma Physics Reports. 2001. V. 27, №8. P. 669-691.

[97]. Ковалев Н.Ф., Петелин М.И., Райзер М.Д., Сморгонский А.В., Цопп А.Э. Генерация мощных импульсов электромагнитного излучения потоком релятивистских электронов // Письма в ЖЭТФ. 1973. Т. 18, № 4. С. 232.

[98]. Зайцев Н.И., Ковалев Н.Ф., Кольчугин Б.Д., Фукс М.И. Экспериментальное исследование релятивистского карсинотрона // ЖТФ. 1982. Т. 52, № 8. С. 1611.

[99]. Carmel Y., Ivers J., Kribel R.E., Nation J. Intense Coherent Cherenkov Radiation Due to the Interaction of a Relativistic Electron Beam with a Slow-Wave Structure // Phys. Rev. Lett. 1974. V. 33. P. 1278.

[100].Gunin A.V., Klimov A.I., Korovin S.D., Pegel I.V., Polevin S.D., Roitman A.M., Rostov V.V., Stepchenko A.S. Relativistic X-band BWO with 3-GW output power // IEEE Transactions on Plasma Science. 1998. V. 26, № 3. P. 326.

[101].Кицанов СЛ., Климов А.И., Коровин С.Д., Куркан И.К., Пегель И.В., Пол евин С. Д. Резонансная релятивистская ЛОВ дециметрового диапазона с импульсной мощностью 5 GW // Письма в ЖТФ. 2003. Т. 29, № 6. С. 87-94.

[102]. Коровин С.Д., Месяц Г.А., Ростов В.В., Ульмаскулов М.Р., Шарыпов К.А., Шпак В.Г., Шунайлов С.А., Яландин М.И. Субнаносекундный источник импульсов излучения в диапазоне 38 GHz с импульсной мощностью 1 GW // Письма в ЖТФ. 2004. Т. 30, № 3. С. 68-74.

[103]. Xiao R.Z., Zhang X.W., Zhang L.J., Li X.Z., Zhang L.G., Song W., Hu Y.M., Sun J., Huo S.F., Chen C.H. Efficient generation of multi-gigawatt power by a klystron-like relativistic backward wave oscillator // Laser and Particle Beams: pulse power & high energy densities. 2010. V. 28, № 3. P. 505-511.

[104].Qiao-Sheng M., Zheng-Hong L., Chao-Zheng L., Yang W., Bing-Quan J., Ai-Min Y., Chang S., Xiao J. Efficient Operation of an Oversized Backward-Wave Oscillator // IEEE Transactions on Plasma Science. 2011. V. 39, № 5. P. 12011203.

[105]. Коровин С.Д., Куркан И.К., Ростов B.B., Тотьменинов Е.М. Релятивистская ЛОВ с сосредоточенным резонансным рефлектором // Известия ВУЗов. Радиофизика. 1999. Т. 42, № 12.

[106]. Коровин С.Д., Ростов В.В., Тотьменинов Е.М. Релятивистская лампа обратной волны с модулирующим резонансным рефлектором // Письма в ЖТФ. 2005. Т. 31, № 10. С. 17-23.

[107]. Климов А.И., Куркан И.К., Полевин С.Д., Ростов В.В., Тотьменинов Е.М. Импульсно-периодическая релятивистская лампа обратной волны с расширенной механической перестройкой частоты генерации // Письма в ЖТФ. 2007. Т. 33, № 24.

[108]. Климов А.И., Куркан И.К., Полевин С.Д., Ростов В.В., Тотьменинов Е.М. Мультигигаваттная релятивистская лампа обратной волны сантиметрового диапазона с модулирующим резонансным рефлектором // Письма в ЖТФ. 2008. Т. 34, № 6.

[109]. Ростов В.В., Тотьменинов Е.М., Яландин М.И. Мощные релятивистские СВЧ-генераторы на основе лампы обратной волны с модулирующим резонансным рефлектором // ЖТФ. 2008. Т. 78, №11.

[110]. Батраков A.B., Карлик К.В., Кицанов С.А., Климов А.И., Коновалов И.Н., Коровин С.Д., Месяц Г.А., Озур Г.Е., Пегель И.В., Полевин С.Д., Проскуровский Д.И., Сухов М.Ю. Увеличение длительности импульсов микроволновых импульсов гигаваттной релятивистской JIOB путем обработки поверхности замедляющей системы низкоэнергетическим сильноточным электронным пучком // Письма в ЖТФ. 2001. Т. 27, № 4. С. 39.

[111]. Федосов А.И., Литвинов Е.А., Беломытцев С.Я., Бугаев С.П. К расчету характеристик электронного пучка, формируемого в диодах с магнитной изоляцией // Известия Вузов СССР. Физика. 1977, № 10. С. 134.

[112]. Новожилова Ю.В., Рыскин Н.М., Усачева С.А. Нестационарные процессы в генераторе с запаздывающим отражением от нагрузки // ЖТФ. 2011. Т. 81, №9.

[113].Kovalev N.F., Fuks M.I., Schamiloglu Е. Stability of Generation of a Relativistic BWO With Reflections in the Output Waveguide // AIP Conference Proceedings. 2002. V. 650. P. 271.

[114]. Денисов Г.Г., Калынова Г.И., Соболев Д.И. Метод синтеза волноводных преобразователей // Известия ВУЗов. Радиофизика. 2004. Т. 47, №8. С. 688693.

Приложение 1. Дисперсионное уравнение нормальных волн винтового волновода на основе разложения полей по пространственным гармоникам

Дисперсионное уравнение метода возмущений, основанного на разложении полей по пространственным гармоникам имеет вид (1.17)

(I V

/>(ю,Л) + ^ е(а>,А) = 0, (1.17)

\го)

где функции р(со,к) и <2{со,}г) определяются выражениями:

Р(а>,И) = П «„ М)ЧМ) (П1.1)

+ А-По ■ Рх 'Ъ-Ро'По Ч 'Ух +%'«I -Д +Л) '/Го-Рх 'Пх -«о '<Го 'Кх ~ -Ъ-Мо-Щ-Р\~К 'Хо Ч

+ -а0 Ч +7-1-0--1 -«о-Ро-Л-х'Х-х Ч -^о • Ро ■ % -

'«о 'Ро + Р-х 'П-х 'Ро-Щ-Р-х П-х Ч +

+ а_, • {Д.! Ч ' ^о ~Р-х-По ■*<> -о"-Г«о

(П1.2)

Входящие в правую часть (П1.1) и (П1.2) величины а„, /?„, пя,Л„, у/„,

уп, <ти и «:„ являются функциями частоты ¿у и продольного волнового числа

нормальной волны И:

«и (<У, Л) = (#„>0 ) > (П1.3)

2 с (П1.4)

(П1.5)

К (а, Л) = -/ (ял) > с (П1.6)

хп{«>^)=^/03/;(я/0)4„2 -ЛЛ) (П1.7)

(П1.8)

УЯ(®.Л)= ^>о2|™„2 - V К, {ёЛ ) - (я^о )}> (П1.9)

= ^„го^и» + ™ кл^ ) - (ял)}, (ШЛО)

и„(й),й)=-^„Го|('«я -(я^о)-(^Л)} (П1.1 1)

<т„(^,А) = -^г0|/«я2 -£„У + (П1Л2)

2 с

кп{(О,к)=-1^~г0{тп2-Е„2Г02-тпм)1^пг0)-ёпг0Г^пг^ (П1ЛЗ)

где Jn (х) - функция Бесселя п-го порядка; тп =т + п-т, И„ =И + п-И,

2 (СО) ,2 г- 2л-

£„ = J - Ъ„ , И = —; т - азимутальное волновое число нормальной волны ; г0, 10, (1, т - параметры винтовой гофрировки (см. (1.2)).