Вывод СВЧ энергии из резонатора управляемой трансформацией вида колебаний тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.20, кандидат наук Игумнов, Владислав Сергеевич

• Игумнов, Владислав Сергеевич
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Игумнов, Владислав Сергеевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ НАКОПЛЕНИЯ И ВЫВОДА

1.1. Требования к резонансным СВЧ компрессорам для их применения в источниках питания линейных резонансных ускорителей. Возможности исследуемой системы

1.2. Явление трансформации волн. Выбор метода анализа

1.3. Общий анализ процесса межвидовой передачи энергии

1.3.1. Передача энергии к добротному виду

1.3.2. Передача энергии к предельно низкодобротному виду

1.4. Амплитудно-частотная характеристика исследуемой системы

1.5. Расчет коэффициента межвидовой связи и оценка усиления мощности

1.5.1. Расчет межвидовой связи

1.5.2. Оценка мощности формируемой и излучаемой волны

1.5.3. Условие компенсации

1.5.4. Максимальная мощность и усиление

1.6. Анализ работы модели исследуемой системы

1.6.1. Обоснование и описание модели

1.6.2. Анализ без учета переходных процессов в шлейфе

1.6.3. Анализ с учетом переходных процессов в шлейфе

1.6.4. Анализ процесса вывода через реккурентные соотношения

ГЛАВА 2. РАСЧЕТ СВЧ КОМПРЕССОРОВ И ИССЛЕДОВАНИЕ НА НИЗКОМ УРОВНЕ МОЩНОСТИ

2.1. Расчет и проектирование СВЧ компрессоров с выводом энергии управляемой трансформацией вида колебаний

2.1.1. Резонансный СВЧ компрессор с умеренно многомодовым резонатором

2.1.1.1. Расчет без учета влияния шлейфа

2.1.1.2. Расчет с учетом влияния шлейфа

2.1.2. Резонансный СВЧ компрессор со сверхразмерным резонатором

2.2. Исследование процесса возбуждения связанных видов колебаний

2.3. Измерение коэффициента межвидовой связи

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ УПРАВЛЯЕМОГО ВЫВОДА ЭНЕРГИИ НА ВЫСОКОМ УРОВНЕ МОЩНОСТИ

3.1. Компрессия СВЧ импульсов в умеренно многомодовом резонаторе с передачей энергии к добротному виду колебаний

3.2. Компрессия СВЧ импульсов в умеренно многомодовом резонаторе с передачей энергии к виду низкодобротному

3.3. Управляемый вывод энергии из сверхразмерного резонатора

3.3.1. Выбор и описание системы

3.3.2. Результаты экспериментов

3.3.3. Формирование СВЧ импульсов при дробном выводе энергии

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

СПИСОК ЦИТИРОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

#

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Вывод СВЧ энергии из резонатора управляемой трансформацией вида колебаний»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования

Мощные электромагнитные импульсы СВЧ диапазона широко используются в различных областях науки и техники, непрерывно и динамично развивающихся, что постоянно предъявляет новые требования к источникам и параметрам импульсов. В соответствии с требованиями развиваются и совершенствуются традиционные электронно-лучевые и твердотельные СВЧ генераторы и усилители [1,2]. Параллельно с развитием активных СВЧ приборов исследуются системы пассивного усиления СВЧ мощности, работающие на основе временной компрессии импульсов активных источников [3-8].

В первых пассивных системах компрессия осуществляется передачей частотно-модулированного СВЧ импульса по волноводной линии с сильной дисперсией. Зависимость групповой скорости передаваемой волны от несущей частоты приводит к тому, что спектральные составляющие импульса движутся по линии с различной скоростью. Усиление достигается подбором параметров линии и закона модуляции такими, что в заданную часть линии составляющие приходят одновременно, обеспечивая повышение мощности СВЧ импульса. Однако системы такого типа имеют относительно низкий коэффициент усиления, как правило, не превышающий несколько единиц [9-11].

В 60-70-е годы прошлого века появились первые публикации по усилению мощности СВЧ импульсов другим пассивным способом - резонансной компрессией. В основе способа лежит накопление энергии относительно длинного СВЧ импульса в резонаторе и быстрый ее вывод в нагрузку [12]. Использование резонаторов с большим объемом и значительным запасом энергии и быстрый вывод накопленной энергии обеспечивают таким источникам высокий уровень мощности формируемых импульсов. В ряде случаев он сопоставим с уровнем мощности наиболее мощных на сегодняшний день релятивистских СВЧ генераторов и усилителей [13-15].

Простота резонансных СВЧ компрессоров, невысокая стоимость, возможность работы с высокой частотой следования и возможность исполнения на хорошо освоенной промышленной элементной базе делает такие приборы перспективными для применения в различных областях науки и техники. Компрессоры позволяют модернизировать действующие СВЧ генераторы и усилители и, расширяя их технические характеристики, создают новые источники мощного импульсного СВЧ излучения для станций РЛС, лабораторных и полигонных исследований [1622]. Резонансные СВЧ компрессоры легко интегрируются в системы ВЧ питания ускорителей и успешно в них используются [3,23,24], увеличивая импульсную мощность систем и энергию

ускоренных частиц без значительных финансовых и материальных затрат. Из возможных вариантов решения проблемы источников в проектах крупных ускорителей, таких, например, как NLC [25,26,5], ВЛЭПП [27-30] или КЕК [4,31,32] и т.п., применение СВЧ компрессоров считается экономически наиболее оправданным.

Использование СВЧ компрессоров для увеличения импульсной мощности системы ВЧ питания ускорителей на сегодня является одной из наиболее востребованных областей применения компрессоров. При этом общее стремление к минимизации размеров ускорителей диктует необходимость увеличения темпа ускорения и использования источников питания с высокой импульсной мощностью (до ~1ГВт) и большим запасом энергии в импульсе (до -10 -ЮОДж). В системах компрессии импульсы с такими параметрами могут быть получены только при использовании больших накопительных объемов с размерами много больше длины рабочей волны, т.е. сверхразмерных объемов.

Одной из основных проблем резонансных СВЧ компрессоров с таким объемом является проблема быстрого вывода энергии. Сложность проблемы заключается в противоречивости требований, предъявляемых к способу и устройству вывода. Для достижения высокого КПД устройство должно обеспечивать высокую добротность резонатора в режиме накопления и низкую, вплоть до добротности резонатора с полной связью с нагрузкой, в режиме вывода. Совместное выполнение этих требований в крупном резонаторе представляет собой непростую техническую задачу.

В поисках эффективных способов и устройств вывода сформировалось два направления реализации компрессоров - с пассивным и активным способом вывода. В соответствии с этим резонансные СВЧ компрессоры делятся на пассивные с переключением в режим вывода без изменения нагруженной добротности резонатора, и активные - с модулированием добротности резонатора.

Среди пассивных систем наиболее известной является система SLED [3]. В этой системе для накопления используется два идентичных резонатора, сильно связанных с питающим трактом и соединенных через 3-дБ мост, развязывающий источник входных импульсов и нагрузку. Искусственно создаваемое синфазное сложение волны, отраженной от входа резонатора, и волны, излучаемой из резонатора, обеспечивают дополнительное повышение мощности волны, поступающей в нагрузку. Предельная величина повышения составляет девятикратное значение. На практике, как правило, обеспечивается 3-4-х кратное повышение. Вместе с тем, при таком усилении система имеет высокий КПД, достигающим 60-80% [4,28,33]. Достоинством системы также является переключение в режим вывода на относительно низком уровне мощности входного тракта. Все это определяет интерес разработчиков ускорителей к системе SLED и ее модификациям, таким, например, как SLED-П [33] или VPM [29,30] и т.п.

Наиболее известный среди активных резонансных СВЧ компрессоров - компрессор с выводом энергии через интерференционный СВЧ переключатель на основе волноводного Н-тройника [12,34]. Управление режимом накопления и вывода в таком компрессоре в большинстве случаев осуществляется плазменным газоразрядным СВЧ коммутатором, расположенным в одном из короткозамкнутых плеч тройника. Коммутатор управляет интерференцией волн, излучаемых из плеч в нагрузку. В таком исполнении компрессоры способны иметь существенно более высокий коэффициент усиления, пропорциональный отношению добротности резонатора в режиме накопления и вывода и превышающий ~10дБ при длительности импульсов -10 - 100нс. Вместе с тем, из-за потерь в СВЧ коммутаторе известные активные компрессоры имеют относительно низкий КПД, составляющий 30-40%, в лучшем случае немногим более 50% [35,36]. Тем не менее, в ускорителях требуются компрессоры не только с высоким КПД, но и высоким усилением, обеспечивающим понижение мощности входных импульсов и, следовательно, стоимости их источников. Поэтому более высокий коэффициент усиления активных или сочетания активных и пассивных систем компрессии определяет интерес и к ним.

Ряд известных способов и устройств вывода из больших объемов ограничен [3,4,29,30,37], и на сегодняшний день ни один из них в полной мере предъявляемым требованиям не удовлетворяет. Поэтому разработка способов и устройств вывода из крупных накопительных объемов является актуальной.

Многообразие ускорителей, отличающихся техническими и эксплуатационными характеристиками, требует соответствующего многообразия параметров питающих импульсов - длительности, мощности, частотой следования и т.д. Известные СВЧ компрессоры имеют достаточно ограниченные возможности регулирования этих параметров. Поэтому применительно к компрессорам это требование означает необходимость создания соответствующего многообразия компрессоров. В силу этого практически значимой представляется и разработка СВЧ компрессоров с управляемым выводом энергии, позволяющим расширить диапазон регулирования параметров формируемых импульсов и обеспечить компрессорам определенную универсальность.

Актуальность разработки СВЧ компрессора с управляемым выводом обусловлена и быстро растущим интересом к резонансным СВЧ компрессорам как источникам мощных СВЧ импульсов в других областях науки и техники. Например, в качестве источников зондирующих импульсов в радиолокации [19-22], в исследованиях по воздействию мощного электромагнитного излучения на природные и техногенные объекты [38,39], для модификации поверхности материалов [16,17], а также для решения исследовательских и прикладных задач в ряде других областей науки и техники [40,41].

Предмет исследований

В данной работе исследуется защищенный патентом [2а] СВЧ компрессор с выводом энергии из сверхразмерного резонатора управляемой трансформацией вида колебаний. Энергия в резонаторе такого компрессора накапливается на высокодобротном основном рабочем виде колебаний и выводится на низкодобротном вспомогательном виде. В этот вид идет трансформация основного вида колебаний, и через выходной волновод вспомогательный вид связывается с нагрузкой. В отличие от известного компрессора с трансформацией на элементе связи в виде плазменного канала разряда в полости резонатора [42], элементом связи в исследуемом варианте служит окно связи резонатора с волноводным шлейфом на основе Н-тройника. Одно прямое плечо тройника-шлейфа подключено к резонатору, второе плечо ограничено подвижным короткозамыкателем, а в боковом, также короткозамкнутом плече, расположен плазменный газоразрядный СВЧ коммутатор. Коммутатор переключает тройник из режима «закрыто» в режим «открыто», меняет параметры элемента межвидовой связи и, соответственно, величину связи между видами и с нагрузкой. Такой элемент отличается и более высокой электрической прочностью.

Для расширения возможностей управления процессом вывода в выходной волновод исследуемого компрессора встроен интерференционный СВЧ переключатель. При передаче энергии от добротного вида к виду добротному этот переключатель закрыт и открывается только после завершения процесса передачи энергии от вида к виду. В варианте компрессора с передачей энергии к виду предельно низкодобротному переключатель в выходном волноводе открыт постоянно. В этом случае параметры формируемых импульсов определяются величиной межвидовой связи и устройством вывода энергии.

Цель диссертационной работы - установление закономерностей процесса формирования СВЧ импульсов при выводе энергии из сверхразмерного резонатора управляемой трансформацией вида колебаний и создание действующих макетов резонансного СВЧ компрессора с регулируемыми параметрами формируемых импульсов.

Поэтому задачами работы были:

1. Анализ процессов накопления и вывода СВЧ энергии в резонансной системе с исследуемым способом вывода.

2. Расчет и разработка макетов СВЧ компрессоров, реализующих способ.

3. Исследование макетов на низком и высоком уровне мощности.

4. Формулирование базовых принципов проектирования СВЧ компрессоров с выводом энергии управляемой трансформацией вида колебаний на окне связи резонатора с короткозамкнутым волноводным шлейфом.

Научная новизна

В диссертационной работе получены следующие новые результаты:

1. Определены основные закономерности процесса межвидовой передачи энергии в резонаторе при трансформации вида колебаний на окне связи резонатора с короткозамкнутым волноводным шлейфом.

2. Построена модель для описания переходных процессов при накоплении и выводе энергии в системе компрессии с трансформацией вида колебаний на окне связи резонатора с короткозамкнутым волноводным шлейфом.

3. Впервые осуществлена последовательная компрессия СВЧ импульсов в двух связанных видах колебаний резонатора, позволяющая повышать рабочую мощность компрессора и получать импульсы с формой огибающей, близкой к прямоугольной.

4. Впервые показана возможность дробного вывода СВЧ энергии из резонатора и формирования серии импульсов СВЧ суб- и наносекундной длительности с частотой следования свыше 1МГц в пределах входного импульса компрессора.

5. Продемонстрировано суммирующее действие синхронно и синфазно работающих элементов межвидовой связи, позволяющее уменьшить время вывода энергии и увеличить мощность выходных импульсов СВЧ компрессора.

Научная значимость

Научная значимость результатов работы заключается в получении новых данных о процессе вывода энергии трансформацией вида колебаний на окне связи резонатора с короткозамкнутым волноводным шлейфом. В частности, в установлении закономерностей процесса и факторов, его определяющих. Научная значимость также заключается в прогнозировании и демонстрации сопоставимости эффективности систем компрессии с трансформацией вида колебаний на быстро включаемом элементе связи с эффективностью известных активных систем компрессии.

Практическая значимость

Практическая значимость работы обусловлена возможностью создания на основе

полученных данных источников мощных СВЧ импульсов с регулируемыми параметрами.

Реализованная на практике последовательная компрессия СВЧ импульсов в связанных видах

8

колебаний может служить основой для разработки мощных СВЧ компрессоров, формирующих импульсы с прямоугольной огибающей в системах ВЧ питания ускорителей. Практическая значимость обусловлена и тем, что кроме ускорительной техники разработанные источники СВЧ импульсов с регулируемыми параметрами могут найти применение и в ряде других областей науки и техники. Например, при проведении лабораторных и полигонных исследований, в радиолокации, связи и т.д.

Положения, выносимые на защиту:

1. Процессы накопления и вывода энергии в СВЧ компрессоре с трансформацией вида колебаний на окне связи резонатора с волноводным шлейфом определяются интерференцией волн, формируемых межвидовой связью на окне, и волн, излучаемых окном из шлейфа.

2. Вывод СВЧ энергии из резонатора управляемой трансформацией вида колебаний на окне связи резонатора с волноводным шлейфом позволяет формировать СВЧ импульсы с регулируемыми параметрами: мощностью, длительностью, формой огибающей и частотой следования.

3. Эффективность СВЧ компрессоров с выводом энергии трансформацией вида колебаний на окне связи резонатора с волноводным шлейфом сопоставима с эффективностью известных активных СВЧ компрессоров, что позволяет их использовать в системах питания линейных резонансных ускорителей.

Степень достоверности и апробация результатов

Сравнение экспериментальных данных с приведенными в диссертационной работе расчетами показывает, что достигнуто хорошее качественное и количественное согласие. Что подтверждается созданием на их основе работоспособных макетов резонансных СВЧ компрессоров с рабочими характеристиками, близкими к расчетным характеристикам. Основные результаты диссертации докладывались на следующих конференциях:

> На международной конференции студентов и молодых ученых НИ ТПУ в 2009 году (Россия, г. Томск).

> На 13-ой международной конференции молодых специалистов по микро/нанотехнологиям и электронным приборам (EDM, 2012, Россия, Алтай, Эрлагол).

> На 14-ой международной конференции молодых специалистов по микро/нанотехнологиям и электронным приборам (EDM, 2013, Россия, Алтай, Эрлагол).

> На 5-ом международном форуме по стратегическим технологиям (IFOST, 2010, Россия, г. Томск).

> На 7-ом международном форуме по стратегическим технологиям (ПЮБТ, 2012, Россия, г. Томск).

>• На 3-ем международном конгрессе по радиационной физике и химии конденсированных сред, сильноточной электроники и модификации материалов пучками частиц и плазменными потоками (Россия, г. Томск).

Материалы диссертации также докладывались на научных семинарах лаборатории №46 ФТИ НИ ТПУ в 2009 - 2013 гг.

Результаты работы представлялись на выставке инновационных достижений ИННОВУС -май, 2013 в г. Томске.

Публикации

Материалы диссертации, в основном, получены при выполнении Гранта РФФИ №08 - 08 -155а и Государственного задания «Наука» Минобрнауки РФ № 0.3.2012 и опубликованы в работах [1а-16а], в числе которых 6 статей в рецензируемых журналах из списка ВАК и три патента на изобретения.

Личный вклад автора ^

Представленные в диссертации результаты теоретических исследований и расчетов, а также экспериментальные данные получены автором либо при его непосредственном участии. Большая часть работы, касающаяся выбора метода теоретического анализа исследуемой системы, а также разработки и анализа модели системы определена автором.

Расчет и разработка конструкций исследованных СВЧ компрессоров, а также расчет энергетических характеристик компрессоров выполнен при непосредственном участии автора. Большинство исследований разработанных систем компрессии на низком уровне мощности выполнено автором.

Экспериментальные исследования на высоком уровне мощности проведены совместно с соавторами. Материалы к конференциям [1а,5а,9а, 10а, 11 а, 16а] и ряд публикаций [За,6а,8а, 14а] готовились, оформлялись и докладывались автором.

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка цитируемой литературы и списка публикаций автора по теме диссертации. Общий объем диссертации составляет 130 страниц, включая 55 рисунков, 4 таблицы и список цитируемой литературы и публикаций автора из 87 наименований.

Во Введении дается краткий обзор известных систем компрессии, обосновывается актуальность и формулируется цель, научная новизна и практическая значимость диссертационной работы. Кратко излагается содержание работы, и формулируются научные положения, выносимые на защиту.

В первой Главе анализируется работа исследуемой системы.

Формулируются требования к резонансным СВЧ компрессорам для их использования в источниках питания линейных резонансных ускорителей. Отмечаются возможности исследуемой системы. Дается описание явления трансформации волн в передающих волноводных линиях и видов колебаний в резонаторах. Приводятся примеры использования явления в СВЧ приборах и устройствах. Обосновывается выбор методов анализа задач работы. Делается заключение о достаточности для описания процесса компрессии приближенного электродинамического метода, в котором взаимодействующие виды представлены связанными колебательными контурами, и метода матрицы рассеяния с представлением взаимодействующих видов связанными резонаторами. На основе этих методов анализируются две граничные схемы вывода энергии трансформацией вида колебаний на сосредоточенном быстро включаемом элементе межвидовой связи. Одна из схем основана на передаче энергии от добротного вида к добротному виду и со второго вида в нагрузку. В другой схеме передача идет к виду предельно низкодобротному с полной связью с нагрузкой. Отмечаются особенности схем, определяются условия эффективной передачи и дается сравнительная оценка схем.

В первой Главе приведены также результаты анализа резонансной системы исследуемого компрессора с учетом особенностей ее конфигурации. Система представляет собой сверхразмерный резонатор, связанный с волноводным шлейфом в виде Н-тройника с короткозамкнутым выходным прямым плечом и короткозамкнутым боковым плечом с СВЧ коммутатором. Анализируются амплитудно-частотные характеристики системы как функции параметров ее элементов - затухания волн в резонаторе и шлейфе, электрической длины шлейфа, коэффициента передачи окна связи. Результаты анализа и данные расчета коэффициента межвидовой связи использованы для определения условия компенсации связи резонатора с нагрузкой в режиме накопления энергии и оценки коэффициента усиления компрессора. Здесь же выполнен оценочный расчет параметров элемента межвидовой связи, требуемого для предельно быстрого преобразования волны основного рабочего вида в волну вспомогательного вида.

В заключительной части первой Главы представлены результаты анализа модели исследуемой системы компрессии. Методом матрицы рассеяния работа модели анализируется в статике и динамике. Через решения приближенных дифференциальных уравнений получены аналитические выражения для огибающих формируемых СВЧ импульсов. Показано, что, меняя

11

электрическую длину короткозамкнутого шлейфа, можно в широких пределах регулировать мощность, длительность, частоту следования и форму огибающей выходных импульсов. На основе реккурентных соотношений между амплитудами волн в системе, построены уточненные огибающие формируемых импульсов и по их параметрам оценены энергетические характеристики системы. Завершается Глава выводами, следующими из представленных в ней данных.

Вторая Глава включает в себя результаты расчета и проектирования действующих макетов резонансных СВЧ компрессоров 3-см диапазона длин волн с выводом энергии управляемой трансформацией вида колебаний, а также данные исследования макетов на низком уровне мощности.

Обоснован выбор конструкции СВЧ компрессоров. Приведена методика расчета компрессоров, а также методика определения величины и зависимостей коэффициента межвидовой связи от параметров элемента связи. По приведенной методике рассчитаны геометрические и электрофизические характеристики СВЧ компрессора с умеренно многомодовым накопительным резонатором. Компрессор с таким резонатором предназначен для экспериментального исследования передачи энергии от добротного вида колебаний к виду добротному и от добротного к предельно низкодобротному виду. Умеренно многомодовым резонатор выбран преднамеренно с целью более четкого выявления особенностей взаимодействия только выбранных рабочих видов колебаний - основного и вспомогательного. Здесь же представлены результаты расчета и проектирования СВЧ компрессора с выводом энергии из сверхразмерного резонатора с относительно высокой плотностью спектра колебаний и более широкими возможностями управляемого вывода энергии. Результаты экспериментального исследования разработанных макетов на низком уровне мощности включают в себя данные, касающиеся поведения амплитуды колебаний на рабочих видах при импульсном возбуждении резонатора и возбуждении в режиме частотной модуляции. Отслежена динамика процессов возбуждения и затухания колебаний при изменении параметров элемента межвидовой связи - размеров окна связи шлейфа с резонатором и электрической длины шлейфа, а также величины отличия частот взаимодействующих видов колебаний.

В заключительной части второй Главы представлены данные экспериментального определения зависимостей коэффициента межвидовой связи от параметров элемента этой связи. Зависимости определялись по величине отличия резонансных частот взаимодействующих видов в точке совпадения их парциальных частот.

Завершается Глава выводами, следующими из представленных в ней данных.

> ' с " »

В третьей Главе изложены результаты экспериментального исследования разработанных макетов СВЧ компрессоров на высоком уровне мощности.

Представлены результаты исследования СВЧ компрессора с умеренно многомодовым накопительным резонатором. На таком компрессоре исследован вывод СВЧ энергии из резонатора управляемой трансформацией вида колебаний, как с передачей энергии от добротного вида к виду добротному, так и с передачей к виду предельно низкодобротному с формированием импульсов с огибающей, близкой к прямоугольной, и импульсов с регулируемыми параметрами - мощностью, длительностью и формой огибающей. Продемонстрирована идентичность процесса компрессии СВЧ импульсов в связанных добротных видах колебаний процессу в последовательно соединенных резонаторах. Представлены результаты, подтверждающие возможность дробного вывода энергии с формированием импульсов СВЧ суб- и наносекундной длительности. Изложены данные экспериментов по выводу энергии с передачей к виду предельно низкодобротному в сверхразмерном резонаторе в условиях конкуренции большого (более двадцати) числа распространяющихся типов волн. Показано, что суммирующее действие накопительного резонатора при выводе энергии трансформацией вида колебаний обеспечивает возможность наращивания мощности выходных импульсов аддитивным действием пакета синхронно и синфазно срабатывающих элементов межвидовой связи. Показано также, что пакет элементов обеспечивает системе способность осуществлять дробный вывод энергии и формировать серии СВЧ импульсов суб- или наносекундной длительности с высокой частотой следования в пределах входного импульса компрессора. Завершается Глава выводами, следующими из представленных в ней данных.

В Заключении приводится перечень результатов диссертационной работы. Отмечается, что основным результатом является разработка действующих макетов резонансных СВЧ компрессоров с регулируемыми параметрами выходных импульсов.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ НАКОПЛЕНИЯ И ВЫВОДА

Резонансные СВЧ компрессоры, отличающиеся способом и устройством вывода, имеют отличительные особенности процесса формирования, определяемого физическим принципом, лежащим в основе способа, и конструкцией устройства вывода.

В первой Главе анализируется процесс компрессии СВЧ импульсов в резонансной системе с выводом энергии управляемой трансформацией вида колебаний. Формулируются требования к СВЧ компрессорам для источников питания линейных резонансных ускорителей. Приводится обзор возможностей исследуемой системы. Описывается явления трансформации волн в СВЧ устройствах. В соответствии с целью и задачами работы обосновываются принятые методы анализа. Выполняется общий анализ особенностей процесса вывода таким способом, а именно, - рассматриваются две граничные схемы, которые могут быть реализованы в любой системе с выводом энергии трансформацией вида колебаний.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Игумнов, Владислав Сергеевич, 2013 год

СПИСОК ЦИТИРОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Лебедев И. В. Техника и приборы СВЧ. Том 2. Электровакуумные приборы СВЧ. Учебник для студентов вузов по специальности «Электронные приборы». Под редакцией Н.Д.Девяткова. Издание второе, переработанное и дополненное. М.: Высшая школа, 1972. 376 с.

2. Техническое состояние, тенденции развития и проектирование стабильных твердотельных генераторов и фильтров СВЧ малой мощности : (по данным отеч. и заруб, печати за 1940-1992) /А.И. Афанасьев [и др.]. М.: ЦНИИ Электроника, 1993. 81 с.

3. Farcas Z.D., Hogg Н.А., Loew G.A., Wilson P.B. SLED: A Method of Doubling SLAC's Energy // Proc. 9-th Conf. on High Energy Accelerator, SLAC, Stanford, CA, USA, May 2-7, 1974. P.576-582.

4. Shintake Т., Akasaka N. A new RF pulse-compressor using multi-cell coupled-cavity system // KEK, Tsukuba, Japan, 1996. P.3.

5. Tantawi S. G., Vlieks A.E., etc. The next linear collider test accelerator's RF pulse compression and transmission systems // SLAC, 2575 Sand Hill Rd., Menlo Park, CA,94025, U.S.A

6. Сырачев И.В. Новая система импульсной компрессии СВЧ мощности для линейного коллайдера ВЛЭПП. 01.04.20 - физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника.дисс.к.ф.-м.н. - 1997. - (препринт 97-). Номер по описи 494. с. 103.

7. Kuzikov S. V., Vikharev A. A. One-channel Ka-band pulse compressor // Physical review special topics - accelerators and beams 10,082001 (2007). P.8.

8. Hogg H.A., Loew G.A., Price V.G. Experiments with Very High Power RF Pulses at SLAC // IEEE Trans, on Nucl. Science. 1983. - V.NS-30, № 4. -P.3457-3459.

9. Власов C.H., Казакова Н.Г., Колосова E.B. Компрессия СВЧ импульсов с помощью дифракционных решеток. //ЖТФ. Т. 68, вып. 2,1998, стр. 82-90.

Ю.Данилов Ю.Ю., Кузиков С.В., Павельев В.Г. и др. Компрессия микроволновых импульсов квазиоптическим резонатором с гофрированным зеркалом. // Письма в ЖТФ. 2001. Т. 27. №19. С. 5-10.

11.Nantista C.D., Farkas Z.D., Ruth R.D., Tantawi S.G., Wilson P.B. Alternative pulse compression system configuration for linear colliders. // SLAC-PUB-9266,2002, pp. 1-3.

12. Диденко A.H., Юшков Ю.Г. Мощные СВЧ-импульсы наносекундной длительности. М.: Энергоатомиздат, 1984 г., 112 с.

13.Винтизенко И.И., Новиков С.С. Релятивистские магнетронные СВЧ-генераторы. Томск: *' Изд-во НТЛ, 2009.432с.

14. Ростов В.В., Тотьменинов Е.М., Яландин М.И. Мощные релятивистские СВЧ-генераторы на основе лампы обратной волны с модулирующим резонансным рефлектором // ЖТФ, Том 78, Вып.11, 2008. С. 85-92

15. Бугаев С.П., Ильин В.П., Кошелев В.И. и др. Формирование сильноточных релятивистских электронных пучков для мощных генераторов и усилителей СВЧ. // Релятивистская высокочастотная электроника. Горький: ИПФ АН СССР, 1979. Вып.1. С.5-75.

16. Вернигоров Н.С., Диденко А.Н., Шаркеев Ю.П., Сулакшин A.C. и др. Дефектная структура меди после воздействия мощного импульсного электромагнитного излучения СВЧ диапазона // Доклады РАН, 1994, т.335, с. 6-9

17. Аблязимова H.A., Вейнгер А.И., Питанов B.C. Электрические свойства кремниевых р-п переходов в сильных СВЧ полях // ФТП. 1988, т.22, вып.1, с.2001

18. Вернигоров Н.С., Саркисьян А.П., Сулакшин A.C. и др. Экспериментальные исследования воздействия импульсного СВЧ излучения на материалы // "ИНФОРМОСТ", 2002, Вып. 6, с. 51-57

19. Исследование объектов с помощью пикосекундных импульсов. Под ред. Глебовича Г.В. М.: Радио и связь, 1984.

20. Юшков Ю. Г., Бадулин Н. Н., Бацула А. П. Наносекундный радиолокатор с временной компрессией СВЧ-импульсов передатчика // Электромагнитные волны и электронные системы. - 1997. - 2, № 6. - С. 71-76.

21. Вопросы перспективной радиолокации. Коллективная монография / Под ред. A.B. Соколова. - М.: Радиотехника, 2003. 512с.

22. Wardrop В. Российский экспериментальный радиолокатор, излучающий короткие импульсы большой мощности // GEC J. Technol. [GEC J. Res.]. - 1997. - 14, № 3. - С. 141-149.

23. Богданович Б.Ю. Системы высокочастотного питания линейных ускорителей электронов с накоплением энергии СВЧ поля. М.: МИФИ, 2002. 96 с.

24. Игнатьев, А. П. Линейный ускоритель электронов с компрессией энергии ВЧ поля и амплитудно-фазовой модуляцией волны генератора : автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук: 01.04.02 / А. П. Игнатьев. - М., 1991. - 20 С.

25. Lavine Т. L. RF pulse compression in the NLC. Test Accelerator at SLAC // Stanford Linear Accelerator Center, Stanford University, California 94309; SLAC-PUB-95-6742.

26. Tantawi S. G., Bowden G., Farkas Z.D., etc. A multi-moded RF delay line distribution system for the next linear collider // Stanford Linear Accelerator Center, SLAC, 2575, Sand Hill Rd. Menlo Park, CA 94025, USA, 2002. P.305-307

126

27. Balakin V. E., Syrachev I. V. A New Approach in RF Power Multiplication // VLEPP-Note-06/1990, 1990.

28. Балакин B.E., Сырачев И.В. Умножитель импульсной СВЧ-мощности для ВЛЭПП. Протвино, 1995. - 35 с. (Препринт ФИЯФ РАН: № 95-1).

29. Syrachev I.V., Vogel V.F., Mizuno Н. et al. The Results of RF High Power Tests of X-Band Open Cavity RF Pulse Compression System VPM (JLS) // Proc. Int. Conference LINAC-94, Tsukuba, Japan, 1994.

30. Balakin V.E., Syrachev I.V. Status of VLEPP RF Power Multiplier (VPM) // Proc. Ill-rd Europian Particle Accelerator Conference, Berlin, Germany, 1992.-P.1 173-1175.

31.Matsumoto S. , et al. Nextef: 100MW X-Band Test Facility in KEK // Proc. Int. Conference EPAC08, Edinburgh, UK, 2008. P.401-405e

32. Yoshida M., Fukuda S., Higashi Y., Higo Т., Kudo N., etc. X-band pulse compression system using one channel circular polarized traveling wave delay line // Proc. Int. Conference LINAC 2010, KEK, Ibaraki, Japan. P. 548-554.

33. Wilson P.B., Farkas Z.D., Ruth R.D., SLED-II: A new method of RF pulse compression // Proc. of Linear Accl. Conf., Albuquerque, NM, SLAC-PUB-5330 (1990).

34. Артеменко C.H., Августинович B.A., Чумерин П.Ю., Юшков Ю.Г. Вывод энергии из сверхразмерного резонатора через "пакет" интерференционных переключателей с суммированием выходных сигналов // ЖТФ, 2000, т. 70, в. 11, с. 105-112.

35.Вихарев А.Л., Горбачев A.M., Иванов О.А., Исаев В.А., Кузиков С.В., Лобаев М.А. Плазменный переключатель, основанный на преобразовании мод ТЕ02-ТЕ01 круглого волновода для мощных СВЧ компрессоров сантиметрового диапазона длин волн // Письма в ЖТФ, 2007, Т. 33, Вып. 18, С.54-60.

36. Вихарев А.Л., Горбачев A.M., Иванов О.А. и др. Активный компрессор СВЧ-импульсов на осесимметричной моде круглого волновода. // Письма в ЖТФ, 1998, Т.24, №20, С.6-11.

37. Данилов Ю.Ю., Кузиков С.В., Павельев В.Г., Кошуринов Ю.И. Компрессия микроволновых импульсов бочкообразным резонатором с винтовым гофром // Письма в ЖТФ, 2001. Т. 27, вып. 6. - С. 59-64.

38. Gadetski N.P., Magda I.I., Kravtsov К.А., Prokopenko Yu.V., Chumakov V.I., Novikov V.A., Tkach Yu.V. Studies of electromagnetic radiation of ultra-short duration pulse interference on UHF electronics devices // AMEREM'96 Conference, Book of Abstracts. Albuquerque, USA, 1996, p.79.

39. Слюсар В. Генераторы супермощных электромагнитных импульсов в информационных войнах // Военная электроника, Вып. 5, 2002. С. 60-67

127

40. Блудов С. Б., Гадецкий Н.И., Магда И.И. и др . Генерирование мощных СВЧ-импульсов ультракороткой длительности и их воздействие на изделия электронной техники // Физика плазмы. 1994. Т. 20, вып. 7, С.712-718

41.Майкалсон С.М. Биологические эффекты СВЧ излучения: Обзор // ТИИЭР. 1980. Т. 68, No 1, С.49-68.

42. Артеменко С.Н., Каминский B.JL, Юшков Ю. Г. Вывод энергии из резонансного СВЧ. накопителя. ЖТФ. Т.7. В.24. 1981. С.1529-1533.

43. Артеменко С. Н., Августинович В. А., Юшков Ю. Г. Вывод СВЧ энергии из резонатора при трансформации вида колебаний на окне связи // Журнал технической физики, 1998. Т. 68, вып. 7 . С. 92-96.

44. Shintake, Т. et al. Development of C-band RF pulse compression system for e+ e- linear collider// Conf.Proc. C970512. 1997. KEK-PREPRINT 97-48. P. 455-457.

45. Nantista C.D., Farkas Z.D., Ruth R.D., Tantawi S.G., Wilson P.B. Alternative RF pulse compression system configurations for linear colliders // Presented at Conference: C02-06-03.1, 2002. p.473-475

46. Mizuno H. RF pulse compression for linear colliders // KEK, High Energy Accelerator Research Organization Oho, Tsukuba-shi, Ibaraki-ken 305, JAPAN. 1998. P.737-741

47. Loew G.A., Allen M.A., Cassel R.L. et al. The SLC Energy upgrade at SLAC // IEEE Trans. On Nucl. Science. 1985. - V.NS-32, № 5. - P.2748-2750.

48. Hogg H.A., Loew G.A., Price V.G. Experiments with Very High Power RF Pulses at SLAC // IEEE Transactions on Nuclear Science, 1975, vol. NS-30,no. 4, p. 1299.

49. Августинович B.A., Августинович Л.Я., Артеменко C.H., Юшков Ю.Г. Исследование полусферического резонатора для накопления энергии // Изв. вузов. Радиоэлектроника. 1987. - Т. 30. - № 2. - С. 90—92.

50. Kazakov S.Y. Pulse Shape Correction for RF Pulse Compression System // Third European Particle Accelerator Conference, Branch INP,Protvino,Russia.l992. P.1247-1248.

51. Syrachev I.V. Some methods of RF pulse shape correction of the RF pulse compression system // Proc. of the 1st. Int. Workshop on pulsed RF Sources for linear collider, Dubna, Russia, 1993, PP.475-477

52. Sami G. Tantawi Multimoded compact delay lines for applications in high power RF pulse compression systems // Proceedings of EPAC 2002, Paris, France. P.3.

53. Ruth R.D. The next linear collider // SLAC-PUB-5406, 1991. P.3

54. Birx D.L., Scalapino D.J. Microwave energy compression using high intensity electron beam switch // J. Appl. Phys. 1980, т. 51, № 7, с. 3629.

55. Nantista C.D. Radio frequency pulse compression for linear accelerators // Thesis, University of California 1994.

56. Alvarez R. A., Byrne D. P., Johnson R. M. Prepulse suppression in microwave pulse-compression cavities // Rev. Sci. Instrum. 57, October 1986, pp. 2475-2480.

57. Alvarez R. A. Some properties of microwave resonant cavities relevant to pulse-compression power amplification // Rev. Sci. Instrum. 57, October 1986, pp. 2481-2488.

58. Jain K.A. Application of small accelerators in industry and research // Phys. News (March 1988).V.19. P. 16-20

59. Вальднер O.A., Зверев Б.В., Милованов O.C., Собенин Н.П. Разработка линейных ускорителей для широкого круга прикладных задач. В кн. Труды V Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц, т.2, М., Наука, с. 181-185

60. В.А. Августинович, С.Н. Артеменко, В.Л.Каминский, С.А.Новиков, Ю.Г.Юшков. Двухступенчатая система компрессии сверхвысокочастотных импульсов в последовательно связанных резонаторах. ПТЭ. №2. 2007. С.96-99.

61. Августинович В.А, Артёменко С.Н., Жуков А.А. Вывод СВЧ-энергии из резонатора через сверхразмерный интерференционный переключатель // Письма в ЖТФ 2013, Т.39, вып. 10, С.89-94.

62. Артёменко, Августинович. Артеев. Синхронный вывод СВЧ-энергии из резонаторов через пакет интерференционных переключателей // Письма в ЖТФ 2013г. Т, 39, вып. 23, С.26-33.

63. Н.И.Зайцев, Н.С.Гинзбург, Н.А.Завольский, В.Е.Запевалов, Е.В.Иляков, И.С.Кулагин,

A.Н.Куфтин, В.КЛыгин, М.А.Моисеев, Ю.В.Новожилова, Р.М.Розенталь,

B.И.Цалолихин. Высокоэффективный релятивистский гиротрон сантиметрового диапазона длин волн с микросекундной длительностью СВЧ импульса.// Письма в ЖТФ, 2001, т.27, вып.7, с.8-16.

64. Пенроз, Боулдинг Принципы и техника радиолокации. М.: Военздат, 1956,781 С.

65. Штейншлейгер В.Б. Явления взаимодейсвтия волн в электромагнитных резонаторах. М.: Государственное издательство оборонной промышленности, 1955 г., 114 с.

66. Альтман Дж. Устройства СВЧ. М.: Мир, 1968 г., 488 с.

67. Иванников В.И., Черноусов Ю.Д., Шеболаев И.В. Переходные процессы в паре связанных резонаторов // Письма в ЖТФ. 2013.Т.65, №5, С. 162-167.

68. Баскаков С.И. Электродинамика и распространив радиоволн. М.: Высш. шк., 1992 г., 416 с.

69. Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р., Смирнов В.П. Справочник по элементам волноводной техники. М.;Л.: ГЭИ, 1963. 359 с.

70. Мандельштам Л.И. Полное собрание трудов. Лекции по колебаниям. М.: Изд-во АН СССР, 1955.-512 с.

71.Диденко А.Н., Малыхин A.B. и др. Разработка установки для формирования методом компрессии наносекундных СВЧ-импульсов мощностью до 1ГВт. ISBN 5-7262-0523-5. Научная сессия МИФИ-2004. Том 8, С. 32-33.