Плазменный релятивистский СВЧ-генератор с управляемым в течение импульса спектром излучения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.08, кандидат физико-математических наук Баранов, Роман Владимирович

• Баранов, Роман Владимирович
• кандидат физико-математических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Баранов, Роман Владимирович

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ

§1. Актуальность работы

§2. Цели диссертационной работы

§3. Научная новизна

§4. Защищаемые положения

§5. Научная и практическая ценность результатов

§6. Публикация и апробация результатов

§7. Структура и объем диссертации

Глава 1. Обзор литературы

§ 1. Вакуумные СВЧ-генераторы с перестройкой частоты

§ 2. Плазменные СВЧ-генераторы с перестройкой частоты

§ 3. Механизмы изменения концентрации плазмы в течение СВЧ-импульса

Глава 2. Техника эксперимента

§ 1. Сильноточный ускоритель СИНУС - 550 - 80

§ 2. Плазменный релятивистский сверхвысоко-частотный генератор

§ 3. Диагностика электронного пучка и плазмы

3.1. Диагностика параметров плазмы

3.2. Диагностика параметров релятивистского электронного пучка

3.3. Юстировка плазмы и РЭП

§ 4. Методы диагностики СВЧ-излучения

4.1. СВЧ-детектор на горячих носителях

4.2. Широкоапертурный калориметр

4.3. Определение частоты СВЧ-излучения

§ 5. Обработка временных рядов СВЧ-сигналов

Глава 3. Управление частотой СВЧ-излучения в течение импульса наносекундной длительности

§ 1. Устранение эффекта укорочения СВЧ-импульса

§ 2. Стабильная работа плазменного релятивистского СВЧ-генератора в импульсно-периодическом режиме

§ 3. Регистрация эффекта изменения частоты СВЧ-излучения в течение импульса

§ 4. Управление частотой излучения в течение импульса наносекундной длительности

Заключение

Выводы

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Плазменный релятивистский СВЧ-генератор с управляемым в течение импульса спектром излучения»

ВВЕДЕНИЕ

В предлагаемых диссертационных исследованиях проводилось изучение взаимодействия плазмы с электронным пучком. При взаимодействии плотного пучка релятивистских электронов с заранее созданной плазмой происходит возбуждение электромагнитных колебаний и волн. Скорость электронов в релятивистском электронном пучке (РЭП) близка к скорости света (и ~ с), поэтому релятивистский фактор у =

( и2Л-1/2

( 1 — —) существенно отличается от единицы. Электрон с зарядом е и

массой m ускоряется электрическим полем с разностью потенциалов U, его

масса увеличивается до величины ту, т.е. туе2 = тс2 + eU . Учтя тот

факт, что тс2 ~ 511 кэВ, можно оценить, что уже при факторе у ~ 2

энергия релятивистских электронов достигает энергии 0,5 МэВ.

При транспортировке сильноточного РЭП необходимо учитывать

собственный заряд электронного пучка. Увеличение тока пучка

фиксированной геометрии при транспортировке его в вакууме увеличивает

потенциал и собственный заряд, что приводит к уменьшению кинетической

энергии частиц. Существует предел по увеличению транспортируемого тока,

для трубчатого РЭП с радиусом гь, распространяющегося в коаксиальной с

ним трубе радиуса R, этот предел по току определяется выражением 1цт =

з

~е~2 щ1«/ — "Q2 ^СЛИ ПРИНЯТЬ ~ 1, -j- ~ 17 кА, а у = 2, то

предельный вакуумный ток составит порядка 4 кА.

Таким образом, мощность сильноточного релятивистского

электронного пучка имеет уровень гигаватт. Очевидно, что

экспериментальная установка такой мощности может функционировать только в импульсном режиме.

Существует два направления развития СВЧ-генераторов: вакуумные

релятивистские СВЧ-генераторы и СВЧ-источники с плазменным

заполнением. При инжекции РЭП в заранее подготовленную плазму наблюдается явление плазменно-пучковой неустойчивости, которое было теоретически открыто в 1948 г. в трудах А.И. Ахиезера и Я.Б. Файберга [2], а экспериментально наблюдалось Д. Бомом и Э. Гроссом [ 3 ]. Основные результаты были получены в ХФТИ [4, 5] и ИРЭ АН СССР [6]. Были созданы плазменные СВЧ-усилители и СВЧ-генераторы, но по своим параметрам они уступали вакуумным. Создание нерелятивистских плазменных СВЧ-источников, ограничивалось невозможностью эффективного вывода СВЧ-излучения из плазмы в широком диапазоне частот.

Принципы релятивистской плазменной СВЧ-электроники сформулированы в работе [7], а первый эксперимент был проведен в ФИАН СССР [8]. Данные работы послужили началом исследований и создания СВЧ-генераторов с широкой перестройкой частоты и СВЧ-усилителей с широкой частотной полосой усиления.

Частота излучения вакуумных релятивистских СВЧ-генераторов задается в основном их геометрией, как следствие, излучение происходит на фиксированной частоте. Перестройка частоты в таких устройствах крайне ограничена, удалось добиться перестройки порядка нескольких процентов от несущей частоты. Отличием плазменной СВЧ-электроники является то, что дисперсию плазменного волновода можно менять в широком диапазоне. Изменяя концентрацию плазмы, можно изменять условия взаимодействия РЭП и плазмы, что приводит к изменению частоты излучения. Эта идея и лежит в основе исследований, представленных в данной диссертационной работе.

§1. Актуальность работы

В последнее время большое внимание уделяется разработке и созданию мощных релятивистских СВЧ-генераторов с широким диапазоном частот излучения.

Плазменные релятивистские источники СВЧ-излучения во многом схожи с приборами вакуумной релятивистской СВЧ-электроники. Основным различием между ними является замедляющая структура, которая в первом случае представляет собой плазму, а во втором - металлический волновод с определенными свойствами. Параметры плазмы можно изменять в широких пределах, в то время как электродинамические свойства вакуумного волновода практически не могут быть изменены. По этой причине возможна перестройка частоты СВЧ-излучения для релятивистских плазменных СВЧ-генераторов.

Согласно теории и экспериментальным исследованиям [9, 10, 11] плазменного релятивистского СВЧ-генератора, он обладает возможностью перестройки частоты СВЧ-излучения в широком диапазоне частот. Регулировка частоты выходного сигнала происходит за счет изменения плотности плазмы. В ранних теоретических работах не указывался характер спектра выходного сигнала, однако в работе [ 12 ] экспериментально наблюдался дискретный спектр излучения плазменного СВЧ-генератора.

В плазменной СВЧ-электронике были успешные попытки создания генераторов с изменяющейся частотой в каждом импульсе даже при большой частоте их повторения, до 50 Гц [13, 14]. Авторам удалось зарегистрировать эффект перестройки частоты от импульса к импульсу, однако возможность изменения частоты генерации в течение одного импульса напряжения в экспериментальных работах к настоящему моменту специально не изучался. Это особенно интересно, поскольку само изменение частоты в течение импульса излучения микросекундной длительности экспериментально наблюдалось [12].

В релятивистской СВЧ-электронике больших мощностей существует проблема укорочения СВЧ-импульса [15]. Суть проблемы заключается в том, что процесс СВЧ-излучения самопроизвольно прекращается, в то время как электронный пучок продолжает идти через электродинамическую систему.

В приборах вакуумной релятивистской СВЧ-электроники электронный пучок распространяется вблизи стенки электродинамической структуры, вследствие чего возникает нежелательный СВЧ-разряд [16], который срывает генерацию СВЧ-излучения. Отодвинуть электронный пучок далеко от стенки не удается: мешает сильное электростатическое поле пространственного заряда электронов, создающее высокий потенциал. Для экранировки поля электронный пучок можно поместить в плазму.

В приборах плазменной СВЧ-электроники плазма экранирует заряд РЭП, что позволяет увеличить расстояние от траектории электронов до стенок волновода. Однако, укорочение СВЧ-импульса существует и в плазменной релятивисткой СВЧ-электронике, в работе [17] отмечаются его возможные причины. Для дальнейшего развития плазменных релятивистских СВЧ-генераторов важно найти способы увеличения длительности СВЧ-импульсов.

Таким образом, изучение механизмов управления частотами СВЧ-излучения и создание генератора, способного к излучению СВЧ-волны на протяжении всего времени импульса РЭП, является актуальной задачей на сегодняшнем этапе развития плазменной электроники.

§2. Цели диссертационной работы

Целью диссертационной работы является создание плазменного релятивистского СВЧ-генератора с новыми возможностями и их экспериментальная демонстрация, а именно:

1) обнаружение и устранение причин эффекта укорочения СВЧ-импульсов, генерация СВЧ-излучения в течение всего импульса тока электронного пучка;

2) обнаружение и устранение причин, препятствующих генерации СВЧ-излучения в каждом из импульсов, следующих с частотой до 50 Гц;

3) определение механизмов и экспериментальная демонстрация возможности перестройки частоты СВЧ-излучения в течение импульсов наносекундной длительности.

§3. Научная новизна

1. Впервые экспериментально созданы условия для генерации с частотой до 50 Гц СВЧ-импульсов с мощностью до 50 МВт и возможностью задания частоты излучения для каждого импульса.

2. Впервые экспериментально обнаружены причины укорочения импульса излучения плазменного релятивистского СВЧ-генератора и созданы условия для их устранения.

3. Впервые продемонстрирована возможность изменения — уменьшения или увеличения до 15 % — частоты излучения плазменного релятивистского СВЧ-генератора в течение длительности импульса с длительностью 70 не.

§4. Защищаемые положения

1. Причиной эффекта укорочения СВЧ-импульсов является коллекторная плазма.

2. Причиной, препятствовавшей генерации СВЧ-излучения в каждом из импульсов, следующих с частотой до 50 Гц, является десорбция газа с поверхности коллектора.

3. Управление частотой (как непрерывное, так и дискретное) СВЧ-излучения в течение импульсов наносекундной длительности осуществляется за счет изменения концентрации плазмы в течение импульса напряжения тока.

§5. Научная и практическая ценность результатов

Плазменный релятивистский генератор (ПРГ) СВЧ-излучения — это источник СВЧ-импульсов мультимегаваттного уровня мощности, который

может существенно менять частоты излучения как от импульса к импульсу, так и в течение импульса. Этим ПРГ принципиально отличается от своих вакуумных аналогов. ПРГ может работать также в режиме генерации широкополосного излучения с граничными частотами диапазона, отличающимися в несколько раз [ 18 ]. В отличие от традиционных генераторов сверхширокополосных импульсов, ПРГ имеет значительно большую длительность и энергию СВЧ-импульса при равных параметрах модулятора — импедансе и зарядном напряжении.

Впервые созданный импульсно-периодический СВЧ-генератор обладает уникальной возможностью: на уровне мощности 50 МВт он позволяет в течение одного импульса увеличивать частоту излучения в пределах 15%. Такое излучение значительно перспективнее для компрессии импульса в пассивных линиях задержки, чем СВЧ-импульсы с уменьшающейся частотой [19], поскольку позволяет применять обычные волноводы с гладкими стенками и нормальной дисперсией.

Впервые экспериментально определены причины укорочения импульса излучения плазменного релятивистского СВЧ-генератора и созданы условия для устранения этих причин. В результате диссертационных исследований создан импульсный релятивистский СВЧ-генератор в диапазоне частот 2-5 ГГц, с импульсной мощностью 50 МВт и длительностью до 70 не в каждом из импульсов, следующих с частотой до 50 Гц. Таким образом, приблизительно на порядок увеличена средняя мощность излучения плазменного релятивистского СВЧ-генератора в импульсно-периодическом режиме.

§6. Публикация и апробация результатов

По материалам диссертации опубликованы три статьи [20, 21, 22] в научных журналах.

Результаты исследований докладывались и опубликованы в материалах конференций [23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32], а именно:

• 38-ая Международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и УТС, г. Звенигород, 14-18 февраля 2011 г.

• 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. А.С. Попова, г. Москва, 16-17 мая 2012 г.

• 48-я Всероссийская конференция по проблемам физики частиц, физики плазмы и конденсированных сред, оптоэлектроники, г.Москва, Российский университет дружбы народов, 15-18 мая

2012 г.

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

• International conference-school on plasma physics and controlled fusion, Alushta (Crimea), Ukraine, 17-22 September, 2012 r.

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

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

2013 г.

§7. Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из Введения, трех глав и Заключения. Полный объем диссертации составляет 105 страниц, включая 50 рисунков и список литературы из 87 наименований.

Глава 1 посвящена обзору работ, опубликованных по теме выполняемых исследований. В данной главе рассматривается процесс

черенковского взаимодействия релятивистского электронного пучка (РЭП) с предварительно созданной плазмой с целью создания генераторов СВЧ-излучения, в которых реализуется возможность управления частотой в течение импульса. В решении данной проблемы наметились три пути. Первый из них это изменение геометрии системы, например, размеров резонатора. Данный способ не применим в частотном режиме, когда интервал между импульсами имеет порядок десятка миллисекунд, а изменение геометрии требует значительно большего времени. Второй путь — это изменение параметров инжектируемого электронного пучка. Для релятивистских СВЧ-приборов этот путь не слишкрм пригоден, т.к. скорость электронов, близкая к скорости света, почти не меняется, но при умеренном релятивизме этот способ нашел применение. Основным способом изменения частоты для вакуумных приборов является электронная подстройка. Эти методы обсуждаются в § 1.

В § 2 рассматривается третий способом управления частотой излучения. Суть его заключается в изменении единственного компонента системы, способного существенно изменяться в ходе процесса СВЧ-генерации — плазмы. В данном параграфе рассматриваются теоретические предпосылки как дискретного изменения частота излучения, так и непрерывного изменения частоты.

В §3 обсуждаются физические процессы, приводящие к изменению плотности плазмы и, как следствие, изменению частоты СВЧ-излучения плазменного СВЧ-генератора. В мощных СВЧ-генераторах плазма создается с помощью ионизации газа специальным электронным пучком. СВЧ-поле вызывает дополнительное движение электронов плазмы, что при неполной начальной ионизации газа вызывает его дополнительную ионизацию.

Наряду с механизмом увеличения концентрации плазмы существует и обратный процесс. При инжекции релятивистского электронного пучка в плазму он своим электростатическим полем «выдавливает» электроны из плазменного канала, что приводит к снижению концентрации плазмы на

протяжении первых десятков наносекунд от момента инжекции РЭП. Данное обстоятельство было подтверждено на численной модели [64], выполненной с помощью электромагнитного кода «КАРАТ» [66].

Исходя из рассмотрения, проведенного автором исследования в Главе 1 настоящей диссертации, оцениваются перспективы настоящего диссертационного исследования.

Глава 2 посвящена технике эксперимента.

В первом параграфе описана работа сильноточного электронного ускорителя «Синус 550-80», на котором проводилась экспериментальная работа по созданию релятивистских электронных пучков. Рассматривается принципы работы плазменного релятивистского СВЧ-генератора с импульсной мощностью 50 МВт.

При напряжении формирующей линии ускорителя «Синус 550-80» 1000 кВ и импедансе передающей линии 40 Ом в согласованном диоде создается ток 12 кА. Для эксперимента ток РЭП в плазменном релятивистском СВЧ-генераторе должен быть равен 2 кА. Для согласования импеданса ускорителя 40 Ом с импедансом рабочего диода 250 Ом применялся двойной диод.

Рассматриваются вопросы модификации соленоида для увеличения области квазипостоянного магнитного поля.

с

§ 2 посвящен рассмотрению принципиальной схемы плазменного релятивистского СВЧ-генератора, который условно разделен на несколько основных узлов: диод, плазменный источник, область плазменно-пучкового взаимодействия, выходное устройство.

Вопросы диагностики электронного пучка, плазмы, а так же юстировки электронного пучка и плазмы оговариваются в § 3.

Средства диагностики СВЧ-излучения описывается в §4. Плазменный релятивистский СВЧ-генератор является широкополосным прибором мультимегаваттной мощности, поэтому и средства диагностики излучения

должны быть способны регистрировать характеристики полного спектра излучения генератора.

В § 5 обсуждается программный аппарат для обработки временных рядов. Сравниваются основные способы получение частотно-временной характеристики сигнала: вейвлет-анализ, преобразование Фурье (полное и дискретное).

В Главе 3 рассматриваются различные вопросы функционирования плазменного релятивистского СВЧ-генератора и новые результаты, полученные автором диссертации в ходе исследований.

В § 1 изучаются причины укорочения отдельных импульсов СВЧ-излучения и его проявления в работе генератора. Применение полого коллектора позволило устранить отрицательное влияние коллекторной плазмы. Коллекторная плазма и ее влияние на режимы работы СВЧ-генератора также рассматриваются в данном параграфе.

Причиной того, что ПРГ не мог генерировать СВЧ-излучение в каждом из 50 импульсов пачки с длительностью 1 с, также были процессы на коллекторе. Электроны, оседавшие на его поверхности во время прохождения тока ускорителя, вызывали десорбцию газа поверхности коллектора. Применение полого острокромочного коллектора с дополнительной вакуумной откачкой, описанного в § 2, позволило существенно увеличить среднюю мощность СВЧ-излучения. Длительность СВЧ-излучения увеличилась от 30 до 70 не, а частоту повторения СВЧ-импульсов удалось повысить от 5 до 50 Гц.

В § 3 экспериментально изучается возможность генерации СВЧ-излучения с изменяемой в течение импульса частотой. Для этого применялись три СВЧ-детектора на горячих носителях. В результате данных оценочных экспериментов была зафиксирована перестройка частоты излучения на 20 %.

Для дальнейшего исследования режимов работы генератора и более точных измерений динамики частоты излучения, были проведены

эксперименты по регистрации спектра излучения генераторов СВЧ-импульсов. Результаты экспериментов, проведенных автором диссертационного исследования, представлены в § 4.

Показано, что при почти полной ионизации первоначального газа частота излучения не изменяется; при полной ионизации газа - частота излучения снижается, а при низкой степени ионизации - частота излучения растет.

Обсуждаются условия, при которых возможна перестройка частоты излучения. А так же обсуждается ситуации, при которых увеличение частоты излучения в течение импульса напряжения не возможно.

Импульсно-периодический ПРГ не может генерировать СВЧ-излучение, частота которого имеет возможность существенно изменяться от импульса к импульсу, но остается постоянной в течение одного импульса.

В заключении сформулированы основные результаты работы по изучению работы плазменного релятивистского СВЧ-генератора.

Заключение диссертации по теме «Физика плазмы», Баранов, Роман Владимирович

Выводы

1. Экспериментально преодолены причины ограничения продолжительности СВЧ-излучения плазменного релятивистского СВЧ-генератора. Продемонстрировано СВЧ-излучение, которое не прерывается до окончания тока электронного пучка с длительностью 80 не.

2. Создан новый коллекторный узел, позволивший на порядок увеличить среднюю мощность излучения плазменного релятивистского СВЧ-генератора при генерации СВЧ-импульсов с частотой до 50 Гц. Число СВЧ-импульсов в пачке увеличено до максимального и равного числу импульсов тока.

3. Изучены и впервые продемонстрированы способы управления частотой СВЧ-излучения плазменного релятивистского СВЧ-генератора в течение длительности импульса. Показаны возможности непрерывного и дискретного уменьшения частоты, генерации СВЧ-излучения с постоянной частотой и увеличения частоты, непрерывного и дискретного.

Благодарности

Автор выражает благодарность и признательность научному руководителю - Олегу Тимофеевичу Лозе.

Автор признателен Денису Константиновичу Ульянову — старшему товарищу и коллеге за постоянное внимание и поддержку; руководителю лаборатории Павлу Сергеевичу Стрелкову за постоянный интерес.

Автор благодарен сотрудникам ООО «Лекрой Рус» за предоставленный осциллограф ЬеСгоу \¥ауеМаз1ег (ББА) 82(Ш-А.

Автор выражает благодарность и признательность:

Е.Б. Городничеву, И.Л. Богданкевич, И.Е. Иванову.

Автор благодарен Светлане Евгеньевне Ернылевой - коллеге и верной соратнице - за полезные дискуссии, внушающие оптимизм и боевой экспериментаторских дух.

Заключение

В диссертационной работе экспериментально исследовался процесс I генерации СВЧ-импульсов в импульсно-периодических плазменных релятивистских СВЧ-генераторах. Использовался ускоритель «Синус-550-80», формирующий пучок электронов с энергией 500 кэВ, током 2 кА и длительностью импульса 80 не. Импульсы ускорителя генерировались с частотой до 50 Гц в течение 1 с. Мощность СВЧ-волны достигала 50 МВт на всех частотах излучения в диапазоне от 2 до 15 ГГц.

Успешно решены две проблемы функционирования плазменных релятивистских СВЧ-генераторов. Одна проблема была связана с тем, что сильноточный поток релятивистских электронов вызывает десорбцию значительного количества газа с поверхности коллектора. Через каждые 20 мс между импульсами ускорителя давление газа в области создания плазмы увеличивалось, а кроме того, десорбированный газ отличался по составу от газа (напр., ксенона), специально напускаемого в объем СВЧ-генератора под определенным давлением. Создаваемая из такого газа плазма существенно отличалась от той, которая могла бы эффективно взаимодействовать с электронным пучком с излучением СВЧ-волн. По этой причине СВЧ-излучение первоначально наблюдалось лишь в некоторых импульсах ускорителя. Второй проблемой был эффект так называемого укорочения СВЧ-импульса, при котором СВЧ-излучение начиналось, но прекращалось задолго до окончания тока электронов через генератор. Все возможные причины этого явления до конца не изучены, но одна из них известна: коллекторная плазма, появляющаяся под действием бомбардировки поверхности коллектора электронами. Эта плазма с концентрацией ~ 1012 см° о

77], распространяющаяся к диоду со скоростью до 10 см/с [79], существенно меняет эффективную длину плазменно-пучкового резонатора и коэффициент отражения волны от коллектора.

Для устранения описанных проблем был разработан, создан и испытан новый коллекторный узел СВЧ-генератора. Десорбция газа и образование коллекторной плазмы в новом узле происходят вне области плазменно-пучкового взаимодействия в камере со специальными насосами для откачки газа. Использование созданного коллекторного узла позволило устранить обе описанные проблемы: укорочение отдельного СВЧ-импульса и срыв СВЧ-генерации в большинстве импульсов пачки. В результате, СВЧ-излучение было получено в каждом из импульсов ускорителя, а длительность излучения стала ограничиваться только длительностью тока. В результате более чем на порядок увеличилась средняя мощность СВЧ-излучения, продемонстрирована генерация пачек из 50 СВЧ-импульсов в течение одной секунды с длительностью до 70 не и мощностью до 50 МВт в каждом импульсе.

Одним из преимуществ плазменных СВЧ-генераторов перед вакуумными является возможность электронной перестройки частоты излучения в широком диапазоне. В течение долгого времени внимание уделялось изменению частоты излучения плазменных СВЧ-генераторов только от импульса к импульсу. Впервые проведенные систематические исследования позволили продемонстрировать новые возможности плазменных СВЧ-генераторов, а именно, управление частотой излучения в течение импульса тока.

Ионизация газа СВЧ-полями приводит к увеличению степени ионизации заранее заготовленной плазмы и росту частоты излучения. Уход электронов плазмы из области взаимодействия под влиянием электростатического поля релятивистских электронов сильноточного пучка из ускорителя снижает концентрацию плазмы и уменьшает частоту излучения. Оба процесса протекают быстро, за нескольких десятков наносекунд, поэтому в течение импульса ускорителя концентрация плазмы может заметно меняться. Выбор начальных значений давления газа и концентраций плазмы позволяет смещать баланс описанных процессов в ту или иную сторону.

В ходе исследований были проведены эксперименты с двумя плазменными релятивистскими СВЧ-генераторами, диапазон рабочих частот которых находился в пределах 5.20 ГГц и 2.7 ГГц.

Впервые установлены условия, при которых происходит изменение частоты в течение одного импульса, как уменьшение частоты, так и увеличения; также установлены условия, при которых излучение СВЧ генератора происходит на постоянной частоте.

Экспериментально продемонстрированы СВЧ-импульсы с частотой, постоянной в течение всего импульса, уменьшающейся или увеличивающейся непрерывно до 200 МГц, а также дискретно уменьшающейся или увеличивающейся с шагом ~ 500 МГц.

Проведенные исследования позволяют обоснованно рассчитывать на возможность построения мощных импульсно-периодических СВЧ-генераторов, частоту излучения которых можно менять по заранее заданному алгоритму не только от импульса к импульсу, но также и в течение каждого импульса.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Баранов, Роман Владимирович, 2013 год

Список литературы

1 Богданкевич JI. С. и Рухадзе А. А. Устойчивость РЭП и проблема

предельных токов // УФН, 1971, т. 103, с. 609.

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

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

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

p.1851

4 Березин A.K., Файнберг Я.Б., Артамошкин A.M. и др., Пучково-

плазменный генератор стохастических колебаний дециметрового диапазона длин волн // Физика плазмы, 1994, т.20, №9,с 782-789.

5 Березин А.К., Файнберг Я.Б., Ляпкало Ю.М. и др., Пучково-плазменный

генератор стохастических колебаний непрерывного режима в диапазоне ультравысоких частот // Физика плазмы, 1994, т.20, №9,с 790-793

6 Бернашевский Г.А., Богданов Е.В., Кислов В.Я., Чернов З.С. Плазменные и

электронные усилители и генераторы СВЧ, М., Сов. Радио, 1965

7 Рабинович М.С., Рухадзе А.А., Принципы сильноточной релятивистской

плазменной СВЧ-электроники // Физика плазмы, 1976, т.2, с 715-722

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

плазменный СВЧ-генератор //ЖЭТФ, 1982, 83, с.1358-1367

9 Кузелев М.В., Рухадзе А.А., Стрелков П.С., Шкварунец А.Г. Релятивистская сильноточная плазменная СВЧ-электроника: преимущество, достижения, перспективы // Физика плазмы, 1987, т. 13, №11, с.1370-1382.

10 Кузелев М. В., Рухадзе А. А., Стрелков П. С. Плазменная релятивистская СВЧ-электроника // Под ред. А. А. Рухадзе. Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, М.:— 2002, 543 с.

11 Кузелев М.В., Лоза О.Т., Рухадзе А.А., Стрелков П.С., Шкварунец А.Г. Плазменная релятивистская СВЧ-электроника // Физика плазмы, 2001, т.27, №8, с.710-733.

12 Богданкевич И. Л., Иванов И. Е., Лоза О. Т., Рухадзе А.А., 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.

13 Богданкевич И.Л., Гришин Д.М., Гунин А.В., Иванов И.Е., Коровин С.Д., Лоза О.Т., Г.А. Месяц, Павлов Д.А., Ростов В.В., Стрелков П.С., Ульянов Д.К. «Импульсно-периодический плазменный релятивистский СВЧ-генератор с управляемой в каждом импульсе частотой излучения»// Физика плазмы, 2008, т.34,№10, с. 926-930.

14 Loza О. Т., Bogdankevich I. L., Grishin D. M., Gunin A. V., Ivanov I. E., Korovin S. D., Mesyats G. A., Pavlov D. A., Rostov V. V., Strelkov P. S., Ulianov D. K.. Repetitively-Rated Plasma Relativistic Microwave Oscillator with Tunable Radiation Frequency in Every Pulse // Proc. European Electromagnetics Symposium EUROEM 2008, 21-25 July 2008, Lausanne, Switzerland, p.26.

15 Benford J., and Benford G. Survey of Pulse Shortening in High-Power Microwave Sources // IEEE Trans, on Plasma Sci. Vol.25, No 2, April 1997, pp.311 —317.

16 Лоза О. Т. "О механизме укорочения сверхвысокочастотного импульса в генераторах с сильноточным релятивистским электронным пучком"// РиЭ, 2009, т.54, № 7, с. 887-889.

17 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. .N.1. Series: Plasma Physics (9). P. 102-104 // Укр. ж. "Вопросы атомной науки и техники."

18 Loza O.T., Shkvarunets A.G., Strelkov P.S.. Experimental Plasma Relativistic Microwave Electronics. IEEE Trans, on plasma science, Special Issue on high power microwave generation, June 1998, Vol 26, # 3, pp. 615-627.

19Братман B.JI., Денисов Г.Г., Колганов Н.Г., Мишакин C.B., Самсонов C.B., Соболев Д.И. Микроволновый источник мультигигаваттной пиковой мощности на основе комбинации релятивистской лампы обратной волны и компрессора//ЖТФ, 2011, т. 81, вып. 2, с.113-117

20 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.

21 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.

22 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.

23 Ульянов Д.К., Лоза О.Т., Баранов Р.В. «Импульсно-периодический режим работы плазменного релятивистского СВЧ-генератора»// Тезисы докладов 38-ой Международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы и УТС, 2011 г, с.308.

24 Баранов Р.В., Лоза О.Т., Ульянов Д.К. «Изменение частоты излучения плазменного релятивистского СВЧ-генератора в течение импульса наносекундной длительности»// Тезисы докладов 38-ой Международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы и УТС, 2011 г, с.336.

25 Баранов Р.В., Лоза О.Т., Ульянов Д.К. «Динамика спектра СВЧ-излучения субгигаваттной мощности в течение импульса наносекундной

длительности»// Тезисы докладов 39-ой Международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы и УТС, 2012 г, с.217.

26 Баранов Р.В. «Динамика спектра СВЧ-излучения субгигаваттной мощности в течение импульса наносекундной длительности»//Сборник докладов 67-й Всероссийской конференции с международным участием «Научная сессия, посвященная Дню радио», Москва, 2012 г, с. 360-363.

27 Баранов Р. В. «Динамика спектра СВЧ-излучения субгигаваттной мощности в течение импульса наносекундной длительности» //Тезисы докладов 48-ой Всероссийская конференция по проблемам физики частиц, физики плазмы и конденсированных сред, оптоэлектроники. Москва, 2012 г., с. 330-334.

28 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.

29 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.

30 Ulyanov D.K., Loza O.T., Baranov R.V. «Spectrum control in the course of microwave nanosecond pulse in subgigawatt power level plasma relativistic microwave oscillator» // International conference-school on plasma physics and controlled fusion, 2012 r. Alushta (Crimea), Ukraine, p. 129.

31 Ульянов Д.К., Лоза О.Т., Баранов Р.В., Андреев С.Е. «Управление спектром плазменного СВЧ-генератора в частотно-периодическом режиме»// Тезисы докладов 40-ой Международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы и УТС, 2013 г, с.224.

32 Баранов Р. В. «Эволюция спектра СВЧ-излучения плазменного релятивистского СВЧ-генератора в течение импульса наносекундной длительности»// Тезисы докладов 49-ой Всероссийская конференция по

проблемам физики частиц, физики плазмы и конденсированных сред, оптоэлектроники. Москва, Российский университет дружбы народов, 2013 г., с. 169-174.

33 Ковтун Р. И., Рухадзе А. А. К теории нелинейного взаимодействия релятивистского пучка электронов с плазмой // ЖЭТФ, 1970, т. 58, с. 1219.

34 Харченко И.Ф., Файнберг Я.Б., Николаев P.M. и др. // ЖТЭФ, 1960, Т.30, с.685.

35 Демирханов P.A., Геворков А.К., Попов А.Ф., Зверев Г.И. // ЖТФ, 1960, Т.30, с. 306.

36 Кузелев М.В., Мухаметзянов Ф.Х., Рабинович М.С. и др. // ЖЭТФ. 1982. Т. 83. С. 1358.

37 Кузелев М.В., Мухаметзянов Ф.Х., Рабинович М.С. и др. // ДАН СССР.

1982. Т. 267. С. 829.

38 Богданкевич Л.С., Рухадзе A.A. // УФН. 1971. Т. 103. С. 609.

39 Aronov B.I., Bogdankevich L.S., Rukhadze A.A. // Plasma Phys. 1976. V. 16. P. 101.

40 Кузелев M.B., Рухадзе A.A. // Физика плазмы. 2000. том 26, с. 231

41 Биро М., Красильников М.А., Кузелев М.В., Рухадзе A.A. Проблемы теории релятивистской плазменной СВЧ-электроники // УФН. 1997. Т. 167. С. 1025.

42 Богданкевич J1.C., Рухадзе A.A. Устойчивость РЭП и проблема предельных токов // УФН, 1971, т. 103, с. 609.

43 Кузелев М.В., Рухадзе A.A. Электродинамика плотных электронных пучков в плазме // М.: Наука, 1990, 334 с

44 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.

45 Кузелев М.В., Рухадзе A.A. // Физика плазмы, 2000, том 26, №3, с. 1-25

46 Карташов И.Н., Красильников М.А., Кузелев М.В. Отражение электромагнитных волн от перехода волновода с трубчатой плазмой в вакуумный коаксиальный волновод // РиЭ, 1999, т. 44, № 12, с. 1502-1509.

47 Биро М., Красильников М. А., Кузелев М. В., Рухадзе А. А. Нелинейная теория плазменного СВЧ-генератора на кабельной волне // ЖЭТФ, 1997, т. 111, №4, с. 1258

48 Красильников М.А., Кузелев М.В., Рухадзе A.A. // ЖЭТФ. 1995. Т. 112. С. 521.

49 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, том 29, вып. 6, с. 87-94.

50 Климов А.И., Куркан И.К., Полевин С.Д. и др. Импульсно-периодическая релятивистская лампа обратной волны с расширенной механической перестройкой частоты генерации // Письма в ЖТФ, 2007, т. 33, вып. 24, с.53-60.

51 Кицанов С.А., Коровин С.Д., Климов А.И. и др. «Релятивистская лампа обратной волны с механической перестройкой частоты генерации»// Письма в ЖТФ, 2004, т. 30, вып. 15, с. 1-7.

52 Коровин С.Д., Полевин С.Д., Ройтман A.M. и др. // Изв. вузов. Физика,

1996. Т. 39, №12, с. 49-55.

53 Тотьменинов Е.М., Выходцев П.В., Кицанов С.А. и др. «Релятивистская лампа обратной волны с полосой механической перестройки частоты генерации 14%»//ЖТФ, 2011, т.81, вып. 7, с. 111-114.

54 Братман В.Л., Денисов Г.Г., Колганов C.B. и др. «Микроволновой источник мультигигаваттной пиковой мощности на основе комбинации релятивистской лампы обратной волны и компрессора»//ЖТФ, 2011, т.81, вып. 2, с.113-117.

55 Бесчанов A.M., Братман B.JI., Колганов Н.Г., Мишакин C.B., Самсонов C.B. «Релятивистская ЛОВ с перестройкой частоты напряжением»//Письма в ЖТФ, 2010, т.36, вып. 3, с. 96-103.

56 Goebel D. M., Carmel Yu. and Nusinovich G. S.. Advances in plasma-filled microwave sources // Physics of plasmas, Vol. 6, N.5, May 1999, pp. 22252232.

57 Стрелков П. С., Ульянов Д. К. Спектры излучения плазменного релятивистского черенковского СВЧ-генератора // Физика плазмы, 2000, т. 26, №4, с. 329-333.

58 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.

59 Богданкевич И.Л., Лоза О.Т., Павлов Д.А. «Управление спектром излучения плазменных релятивистских СВЧ-генераторов» // Физика плазмы, 2009, т. 35, № 3, с. 211-218.

60 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.

61 Арутюнян С.Г., Рухадзе A.A. «К теории пробоя газов электромагнитными полями большой амплитуды» плазмы, 1979, т.5, №3, с.702-704. 102.// Физика плазмы, 1979, Т. 5, №3, с. 702.

62 Глазов Л.Г., Игнатьев A.B., Рухадзе A.A. «Высокочастотный разряд в волновых полях»// Под ред. Литвака А.Г., Горький: ИПФ АН СССР, 1988, с. 198.

63 Цагарейшвили Н.С. Пробой газов низкого давления в сверсильных неоднородных СВЧ полях // Физика плазмы, 1990, т. 16, вып. 11.

64 Богданкевич И. Л., Лоза О. Т., Павлов Д. А. «Укорочение импульса плазменного релятивистского СВЧ-генератора в численных расчетах с

модерированием плазмы по методу крупных частиц» // Краткие сообщения по физике ФИАН, в. 2, с. 16-30.

65 Павлов Д.А. «Плазменный релятивистский СВЧ-генератор в численных моделях» // Диссертация на соискание у/с к.ф.-м.н., ИОФ РАН, М., 2010.

66 Tarakanov V.P. User's Manual for Code KARAT, Springfield, VA: Berkley Research Associates, Inc. 1992, 137 p.

67 Нечаев B.E., Солуянов Е.И., Фукс М.И. «Управление током трубчатого пучка электронов с помощью экранирующего мучка в диоде с магнитной изоляцией» // Письма в ЖТФ, т. 5, вып. 2, с. 113-117.

68 Бондарь Ю.Ф., Заворотный С.И., Ипатов А.Л., и др. «Диагностика релятивистского электронного пучка и СВЧ-излучения в карсинотроне» // Физика плазмы, 1982, т. 8, вып. 5, с. 941-946

69 Mesyats G.A., Korovin S.D., Gunin A.V. et al, Laser and Particle Beams, 21,

197 (2003).

70 Лоза O.T., Пономарев A.B., Стрелков П.С., Ульянов Д.К., Шкварунец А.Г. «Источник трубчатой плазмы с управляемым радиусом для плазменного релятивистского СВЧ-Генератора»// Физика плазмы, 1997, т. 23, № 3, с. 222-229.

71 Райзер М.Д., Цопп Л. Э. Детектирование мощности СВЧ-излучения наносекундной длительности // РиЭ, 1975, т. 20, № 8, с. 1691 - 1693.

72 Иванов И.Е., Стрелков П.С., Шумейко Д.В. Коаксиальный широкополосный детектор мощных наносекундных С.В.Ч.-импульсов на эффекте горячих электронов // Приборы и техника эксперимента, 2010, № 5, с. 84-92.

73 Шкварунец А. Г. «Широкополосный СВЧ-калориметр большой площади» //ПТЭ, 1996, №4, с. 72.

74 radiostrim.ru

75 Стрелков П. С., Ульянов Д. К. «Спектры излучения плазменного релятивистского черенковского СВЧ-генератора»// ФП. 2000. Т. 26. В 4. С. 329.

76 Кременцов В. И., Стрелков П. С., Шкварунец А. Г. Затухание обратного тока, индуцируемого релятивистским электронным пучком в плазме // ФП, 1977, т. 3, вып. 4, с. 770-773.

77 Zaitsev N. I., Korabliov G. S., Nechaev V. E., et al. Peculiarities of the high-current beam formation for the relativistic microwave oscillators // Proc. of the 3-rd Int. Topical Conf. on the High Power Electron and Ion Beam. Inst, of Nucl. Phys., Novosibirsk, July 3-6, 1979, vol.2, p.749-752.

78 Абубакиров Э. Б., Белоусов В. И., Зайцев Н. И. О влиянии коллекторной плазмы на работу релятивистской ЛОВ // Тез. докл. 6 Всесоюз. симп. по сильноточной электронике. Томск: ИСЭ СО АН СССР, 1986, т. 1, с. 176178.

79 Зайцев Н. И., Ковалев Н. Ф., Кулагин И. С. О механизме ограничения длительности импульса в релятивистском карсинотроне // Тез. докл. 7 Всесоюз. симп. по сильноточной электронике. Томск: ИСЭ СО АН СССР, 1988, т. 1, с. 179-181.

80 Ернылева С. Е., Богданкевич И.Л., Лоза О.Т. "Механизм укорочения импульса излучения плазменного релятивистского СВЧ-генератора // Кр. сообщ. по физике ФИАН, 2013, №9.

81 Loza О.Т., Strelkov P.S., and Ivanov I.E., IEEE Trans, on plasma science, 26(3), 336 (1998).

82 Черепнин H. В. Сорбционные явления в вакуумной технике // М.: Сов. Радио, 1958.

83 Redhead P. A., The effect of absorbed oxygen on measurements with ionization gauges // Vacuum, 1963, vol. 13, No. 7, pp. 253-258.

84 Clausing R. E. Release of gas from surfaces by energetic electrons // J. Vac. Sci. Technol. , 1964, vol. 1, No. 2, p. 82.

85 Богданкевич И. JL, Иванов И. Е., Лоза О. Т. и др. Плазменный релятивистский СВЧ-усилитель с диапазоном частот от 2 до 3 GHz// ПЖТФ, 2007, т. 33, в. 11, с. 65-70

86 Грошковский Я. Техника высокого вакуума. М., «МИР», 1975, 624 с.

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