Месяц Г.А. Импульсная энергетика и электроника

Подождите немного. Документ загружается.

640

Глава 30. Генерирование мощных импульсов СВЧ-излучения

соотношения (9)-(11) сводятся к виду:

(30.13)

(30.14)

Переход от (9) к (13) позволил исключить е(0) из числа математически независи-

мых параметров. Благодаря этому одно и то же решение системы (13) - при фик-

сированных функции и параметре 8 - справедливо для приборов выбранно-

го класса при любых энергиях электронов, удовлетворяющих условию у

»1, если

длину пространства взаимодействия, амплитуду волны и расстройку синхронизма

выбирать в соответствии с соотношениями подобия, следующими из (12) (и согла-

сующимися с (2)-(8)).

Если на рис. 1 (вариант ж) в условии резонанса (1) подставить п-1,

О = 2яУц/б/, где й - период магнитостатического поля, то получим прибор со

стимулированным ондуляторным излучением, который получил название убитрон.

Этот прибор называют также лазером на свободных электронах.

При условии, что в формуле (1) п =

а циклотронная частота П =

еН

/тсу

где #

~ магнитостатическое поле, имеем вынужденное циклотронное излучение

(рис. 1, д). По отношению к волне с фазовой скоростью, равной скорости света,

электроны ведут себя как линейные осцилляторы, и если условие циклотронного

резонанса (1) выполнено в начальный момент, то оно выполняется тождественно

во времени. Поскольку стационарный ансамбль линейных осцилляторов способен

лишь поглощать энергию высокочастотного поля, то режим строгого авторезонанса

для релятивистских СВЧ-генераторов непригоден. С другой стороны, при больших

отстройках фазовой скорости волны от скорости света, эффективная неизохрон-

ность электронов-осцилляторов излишне велика, и они выходят из резонанса, не

успев отдать волне достаточную часть своей энергии. Отсюда ясно, что любой

энергии электронов соответствует свой оптимум фазовой скорости волны, обеспе-

чивающий наибольший кпд. Чем больше энергия электронов, тем ближе этот оп-

тимум к авторезонансу. Поэтому соответствующие СВЧ-приборы носят название

мазеров на циклотронном авторезонансе (МЦАР).

§ 30.3 Экспериментальное исследование карсинотронов

Схема карсинотрона или релятивистской лампы обратной волны показана на

рис. 2. Современные карсинотроны генерируют импульсы СВЧ-излучения гига-

ваттного уровня мощности. Электрические поля внутри электродинамической сис-

темы составляют сотни киловольт на сантиметр, и это предъявляет высокие требо-

вания к ее электрической прочности. Кроме того, возбуждение колебаний в приборе

должно происходить весьма быстро, учитывая малую длительность импульса элек-

тронного пучка. Этим требованиям удовлетворяет электродинамическая система в

виде гофрированного волновода диаметром I)«

и с расстояниями между гофрами

где X - длина волны излучения. Трубчатый электронный пучок поступает в

этот волновод из диода сильноточного электронного ускорителя. Диод работает в

условиях магнитной изоляции. Физика таких диодов описана нами

главе 25.

30.3 Экспериментальное исследование карсинотронов

641

Рис. 30.2. Схема типичного кареинотрона. Размеры указаны для генератора «МГ-4» с дли-

ной волны

излучения

мм

Приведем экспериментальные данные по исследованию кареинотрона на при-

мере СВЧ-генератора на основе импульсно-периодического ускорителя «Синус-5»,

разработанного в ИСЭ группой Коровина [24]. Ускоритель имел энергию электро-

нов до 600 кэВ, ток 6 кА, длительность импульса 10 не и частоту повторения им-

пульсов до 150 Гц. Среднеквадратичная, от импульса к импульсу, нестабильность

параметров электронного пучка не превышала 1%, привязка по времени запуска

была не хуже 200 не. Время зарядки формирующей линии ускорителя 50 мкс. За-

рядка формирующей линии осуществлялась трансформатором Тесла, встроенным

в линию, с эффективностью 0,8. Максимальное электрическое поле в передающей

линии превышало 1 МВ/см (масляная изоляция). Использовался цилиндрический

графитовый катод. При наработке ускорителя более 10

импульсов уже наблюдался

заметный износ графитового взрывоэмиссионного катода, связанный с уносом ма-

териала. Работа такого типа ускорителей описана

главе 16.

Схема установки приведена на рис. 3. В экспериментах использовались раз-

личные конструкции электродинамических систем кареинотрона, в том числе мед-

ные, изготовленные методом гальванопластики, а также состоящие из набора колец

из нержавеющей стали. Изменение параметров пучка производилось изменением

геометрии вакуумного диода, путем варьирования величин г

и /

(рис. 4). В ре-

жиме разовых импульсов использовался импульсный соленоид с напряженностью

магнитного поля до 30 кЭ. В импульсно-периодическом режиме использовался

Рис.

30.3. Схема установки: 1

- трансформатор, 2 - ФЛ, 3 -

газовый разрядник,

4 - источник

питания тригатрона, 5 -

передающая

линия, б - вакуумный

диод, 7

- соленоид, 8 - электро-

динамическая система

41. Месяц Г. А.

642

Глава 30. Генерирование мощных импульсов СВЧ-излучения

Рис. 30.4. Вакуумный диод и электродинамическая система ЛОВ: 1 - катод, 2 - запредель-

ное

сужение, 3 - пространство

дрейфа,

4 -

соленоид,

5 - коллектор

сверхпроводящий соленоид. Кроме изменения величины Я, существовала возмож-

ность изменения распределения поля по длине системы.

На рис. 5 показаны зависимости мощности излучения карсинотрона с однород-

ным распределением связи от магнитного поля. Характерный «провал» обусловлен

циклотронным резонансом электронов с основной гармоникой встречной волны.

Наиболее узкий «провал» в зависимости

Р{Н)

наблюдался в генераторах с макси-

мальным сопротивлением связи и наибольшим превышением рабочего тока над

стартовым, что находится в согласии с результатами решения линейной задачи о

самовозбуждении ЛОВ в конечном магнитном поле.

Результаты измерения мощности излучения при различных длинах электро-

динамических систем (I) приведены на рис. 6. Как видно, при большой связи

пучка с волной, когда оптимальная длина взаимодействия невелика, зависимость

Р(Н)

имеет довольно сложный характер. Следует заметить, что в данном случае

фазовая скорость нулевой гармоники на рабочей частоте близка к скорости света

(рф =

1 -П, 2),

и набег ее фазы относительно электронов пучка на длине взаимо-

500

10 20 30 40

• Я [кЭ]

Рис.

30.5.

Зависимость

мощности

излучения ЛОВ от магнитного поля

§30.3

Экспериментальное исследование карсинотронов

643

350

280

80 160

240

Ь [мм]

Рис.

30.6.

Зависимость мощности излучения ЛОВ от

длины

электродинамической системы:

1-1-

4 мм, 2

-1

= 3

мм

действия сравнительно невелик:

Таким образом, вследствие малости длины системы, нельзя пренебрегать взаимо-

действием с нулевой гармоникой попутной волны, возможными отражениями вол-

ны от выходного конца системы и т.д.

Для определения оптимальных условий генерации были проведены измерения

мощности излучения при различных параметрах вакуумного диода (рис. 7). Спад

мощности излучения в зависимости Р(г

)при 2г

> 19 мм связан с уменьшением

тока при транспортировке пучка через запредельное сужение карсинотрона. Паде-

ние мощности при малых зазорах (/

< 15 мм), по-видимому, обусловлено ростом

Рис.

30.7.

Зависимость

мощности

излучения ЛОВ от параметров вакуумного диода

41*

(30.15)

300

Р(Г«) Р(1а-к)

0 10 20 30 , 40 50 60

2г

-к [мм]

644

Глава 30. Генерирование мощных импульсов СВЧ-излучения

потенциала пучка и, следовательно, уменьшением кинетической энергии частиц, а

также ростом влияния высокочастотного пространственного заряда.

В режиме разовых импульсов была получена мощность излучения 600 МВт. При

частоте следования импульсов 100 Гц уровень мощности составил Р « 300 МВт,

нестабильность мощности излучения 1—2%. Оценки показывают, что при длитель-

ности импульсов излучения 10 не на длине волны

- 3 см возникает электрическое

поле с напряженностью 30-60 кВ/см, которое приводит

СВЧ-разряду в воздухе.

Исследования спектрального состава излучения релятивистской ЛОВ показали,

что в типичных условиях эксперимента спектр излучения представлен двумя ком-

понентами [24]: узкополосным излучением на длине волны Х

«3 см с мощно-

стью (3-ь5)-10

Вт, соответствующим основному механизму взаимодействия, а так-

же широкополосным излучением в высокочастотной части спектра вплоть до

/2у

с относительно низким уровнем мощности Р » 50 МВт. Изменением

потенциала на катоде от 300 до 500 кВ удалось регулировать основную частоту

излучения в пределах 2%. Максимальная импульсная мощность, полученная в

трехсантиметровом диапазоне с помощью релятивистской ЛОВ на основе ускори-

теля «Синус-7», составляет -3 ГВт [25].

Релятивистская ЛОВ исследовалась также и в миллиметровом диапазоне длин

волн [26]. В работе [27] для этого использовались сильноточные мини-ускорители,

разработанные в ИСЭ и ИЭФ. Энергия электронов -200 кэВ, ток пучка -0,7 кА,

длительность импульсов -3 не. При длинах волн 2,4 и 8 мм была получена мощ-

ность излучения -10 МВт, что соответствовало кпд 6-7%. Позже мощность была

увеличена до 50 МВт. В ЛОВ с длиной волны 2 мм плотность потока энергии в

замедляющей системе достигала -300 МВт/см

, а напряженность электрического

поля на ее стенках -1 МВ/см. Возможность достижения столь высоких электриче-

ских полей без пробоя обусловлена малой длительностью генерируемых импуль-

сов, которая составляла 3 не.

Сильноточные мини-ускорители были использованы также для демонстрации

эффекта усиления СВЧ-излучения в черенковской ЛБВ (X = 8 мм) [28]. Примене-

ние электронного пучка малой длительности позволило обойти ряд трудностей,

связанных с необходимостью подавления самовозбуждения волн вследствие ко-

нечных коэффициентов отражения на неоднородностях замедляющей системы.

Электронный пучок находился в синхронизме с (+1)-ой пространственной гармо-

никой низшей волны гофрированного волновода (НЕц). Максимальный коэффици-

ент усиления в режиме малого входного сигнала достигал 30 дБ, а максимальная

выходная мощность -1 МВт.

Одной из проблем, возникающих при увеличении генерируемой мощности,

является ограничение длительности импульсов излучения (рис. 8). Круг возмож-

ных причин этого явления достаточно широк [29, 30]. Для черенковских приборов

с ведущим магнитным полем при длительности импульсов -10 не, когда смещение

катодной и коллекторной плазмы незначительно, основную роль в укорочении им-

пульса играет плазма, образующаяся на поверхности замедляющей системы под

действием интенсивных ВЧ полей (рис. 8, а) [31]. Источником плазмы, в частно-

сти, могут являться взрывоэмиссионные центры [29]. Одним из доказательств

появления взрывоэмиссионных центров служит наличие эрозии на поверхности

§30.3

Экспериментальное исследование карсинотронов

645

(б)

(а)

И/2

100 200 300

Р [МВт]

Рис. 30.8. а - Распределение электрического поля на поверхности резонатора при прохож-

дении в нем электронного пучка; б - длительность импульса СВЧ-излучения (Х

= 3

см) в

зависимости от мощности

при различной

высоте

гофры / = 4 мм

(7),

/ = 3 мм

(2)

замедляющей системы при генерации мощного СВЧ-излучения. Плазма на по-

верхности замедляющей системы является источником свободных электронов,

движущихся под действием высокочастотного поля в пространстве между гофра-

ми, что приводит к поглощению энергии СВЧ-излучения. Интенсивность погло-

щения определяется полным током частиц, эмитированных с поверхности металла,

величина которого ограничена пространственным зарядом. Ограничения по про-

странственному заряду снижаются вследствие его компенсации ионами плазмы,

движущимися в ВЧ поле и в квазистатическом поле эмитированных с поверхности

электронов и электронов пучка [31].

Таким образом, состояние поверхности электродинамической системы оказы-

вает влияние на длительность наносекундных импульсов микроволнового излуче-

ния. Существует ряд методов обработки поверхности металла с целью увеличения

электрической прочности вакуумной изоляции. Вместе с тем, эти методы, как пра-

вило, не обеспечивают максимального сглаживания поверхности одновременно с

ее эффективной очисткой от примесей и загрязнения. В работе [32] предложен ме-

тод повышения электрической прочности вакуумной изоляции путем обработки

поверхности электродов низкоэнергетичным сильноточным пучком микросекунд-

ной длительности.

Существование циклотронного механизма поглощения электромагнитных волн

в черенковских релятивистских СВЧ-генераторах, о котором мы говорили выше

(рис. 5), приводит к необходимости использования сильных магнитных полей для

транспортировки электронного пучка. В режиме длительной работы с высокой

частотой следования импульсов это означает необходимость применения сверх-

проводящих магнитов, что сдерживает использование релятивистских генераторов

для решения различных прикладных задач. В квазинепрерывном (пакетном) режи-

ме работы генератора достаточно существования магнитного поля в течение вре-

мени пакета импульсов. Так, для создания магнитного поля длительностью -1с

при индукции -3 Тл в объеме ~10

см

на основе частичного разряда емкостного

646

Глава 30. Генерирование мощных импульсов СВЧ-излучения

накопителя при спаде поля -10-15% запасаемая в нем энергия должна быть

~1 МДж. Такой накопитель с приемлемыми размерами может быть создан на осно-

ве молекулярных конденсаторов, обладающих достаточно высоким значением

плотности запасаемой энергии (~2,5 кДж/кг). На основе этой идеи был создан

релятивистский СВЧ-генератор с выходной мощностью -700 МВт с частотой

повторения 200 Гц при длительности магнитного поля 1-г-З с [33]. В этом случае,

как и во всех предыдущих, использовался ускоритель электронов на основе

трансформатора Тесла, который заряжает коаксиальную формирующую линию.

Для получения частоты следования СВЧ-импульсов 3,5 кГц использовался гене-

ратор на 808-диодах с газоразрядным водородным обострителем (см. подробнее

в § 4 этой главы).

Одной из причин падения эффективности генерации в слабых - ниже цикло-

тронного резонанса - магнитных полях является рост поперечных скоростей и

увеличение разброса продольных скоростей электронов в пучке. Качество пучка

может быть улучшено, если при заданном внешнем магнитном поле уменьшить

электрическое поле на катоде. Это возможно осуществить, например, при увеличе-

нии радиуса катода и переходе к сверхразмерным электродинамическим системам.

В традиционной схеме построения ЛОВ это оказывается труднодостижимым, по-

скольку радиус пучка ограничен сверху размером запредельного сужения генера-

тора, служащего для вывода излучения. Другой проблемой, которая возникает при

переходе к сверхразмерным системам, является проблема пространственной коге-

рентности излучения или проблема селекции типов колебаний.

Указанные выше проблемы могут быть решены, если для вывода излучения

использовать селективный резонансный отражатель, одновременно играющий

роль модулирующей секции. В проведенных исследованиях была показана воз-

можность генерации мощного СВЧ-излучения в слабых магнитных полях [34].

С использованием сверхразмерных замедляющих систем и электродинамических

методов селекции в релятивистской трехсантиметровой ЛОВ получена импульсная

мощность -0,8 ГВт при индукции магнитного поля -0,6 Тл. На рис. 9 показана

схема релятивистской ЛОВ с резонансным рефлектором и экспериментальная за-

висимость генерируемой мощности от положения рефлектора. На рис. 10 приведе-

на зависимость мощности микроволнового излучения от величины магнитного

поля. Полученный результат далее позволил реализовать непрерывную работу ре-

лятивистской ЛОВ с импульсной мощностью до 1 ГВт и частотой повторения

100-5-200 Гц на основе охлаждаемого соленоида постоянного тока с индукцией маг-

нитного поля 0,6 Тл и потребляемой мощностью 30 кВт [33]. На рис. 11 показаны

совмещенные осциллограммы напряжения, тока электронов и СВЧ-излучения при

частоте следования импульсов 150 Гц.

Как было отмечено выше, в карсинотроне увеличение мощности СВЧ-им-

пульсов ограничено эффектом укорочения их длительности из-за высокого элек-

трического поля на стенке электродинамической системы, которое приводит к по-

явлению микровзрывов и плазмы. Уменьшить электрическое поле на стенке можно

только за счет увеличения диаметра системы. Канавец [35] предложил использо-

вать сверхразмерные резонаторы с диаметром И »

А,.

В этом случае при специ-

ально сконструированной структуре волновода можно получать СВЧ-импульсы с

§30.3

Экспериментальное исследование карсинотронов

647

и [мм]

Рис. 30.9. Схема релятивистской ЛОВ с резонансным рефлектором (а) и экспериментальная

зависимость генерируемой мощности от положения рефлектора (б)

В [Тл]

Рис. 30.10. Зависимость мощности микроволнового излучения от величины внешнего маг-

нитного поля

111

'"!

. ,

, ,

1 у

, чт-, |

. | | | -Т-1-Т-1-Т-Г-1-Г-Г-,

' ' ' |

п ш

ТГ**

п..М....-

IV/

\ЛЛ

Рис. 30.11. Выборка из 15 последовательных сигналов в режиме работы релятивистского

СВЧ-генератора с частотой следования импульсов 150 Гц. На осциллограммах показано: а -

напряжение, б - ток, в - микроволновое излучение

648

Глава 30.

Генерирование

мощных импульсов СВЧ-излучения

большим числом типов волн на одной и той же частоте (многоволновый режим).

Эксперимент, проведенный группой Бугаева [36, 37], показал возможность работы

такого генератора при длине волны А,«3 см как в микросекундном (0,6 мкс,

200 МВт), так и в наносекундном режимах (50 не, 10 ГВт). Подробно идеология

работы таких систем изложена

монографии [8].

Описанные выше СВЧ-генераторы являются вакуумными. В [38] предложен

плазменный СВЧ-генератор, в котором резонатор заполнен плазмой с плотностью

-И0

см

-3

. Известно, что при плазменно-пучковом взаимодействии в плазме

будет возбуждаться волна с фазовой скоростью, близкой к скорости электронов

пучка, т.е. в случае релятивистских пучков - со скоростью, близкой к скорости све-

та, поэтому такая волна может быть излучена из плазмы в вакуум. Кроме того,

плазма компенсирует пространственный заряд пучка электронов и облегчает

транспортировку этого пучка. Плазменные генераторы интересны еще и тем, что в

них возможна перестройка частоты излучения путем изменения плотности плазмы.

Существует два типа источников СВЧ-излучения с плазменным заполнением.

Заполнение обычного вакуумного источника СВЧ-излучения плазмой может в не-

которых случаях приводить

улучшению его параметров - увеличению мощности,

изменению частоты и т.д. Механизм возбуждения волн в таком приборе совпадает

с механизмом работы его вакуумного аналога (например, ЛОВ). Такой прибор мо-

жет работать как с плазмой, так и без нее. Другой тип СВЧ-генераторов с плазмен-

ным заполнением основан на резонансном взаимодействии электронного пучка с

плазмой. При этом взаимодействии возбуждаются собственные волны плазменной

системы (плазменного волновода или резонатора), которые без плазменного запол-

нения отсутствуют. В них СВЧ-излучение вообще не может возбуждаться в отсут-

ствие плазмы. В плазменных СВЧ-генераторах удается получать импульсы микро-

секундной длительности [39] и регулировать частоту излучения [40].

§ 30.4 Виркаторы

Виркатор представляет собой общее название семейства СВЧ-приборов с по-

ложительной сеткой и сильным объемным зарядом. В виркаторе эмитированные с

катода электроны ускоряются полем сетки, пронизывают ее, а затем испытывают

отражения под действием поля собственного объемного заряда и полей электродов.

В обычной электронике триоды с положительной сеткой или генераторы тор-

мозящего поля широко использовались в приборах сантиметрового и дециметрово-

го диапазонов длин волн. Генераторы тормозящего поля сыграли большую роль в

развитии основных физических представлений в СВЧ-элекгронике, но они имели

низкую эффективность. Появление в дальнейшем более эффективных СВЧ-при-

боров ослабило внимание к этим генераторам.

Интерес к таким приборам возродился, когда после создания сильноточных

электронных ускорителей были проведены успешные эксперименты по генерации

мощного СВЧ-излучения [42]. В случае сильноточного электронного пучка объем-

ный заряд электронов в системе с положительной сеткой приводит к формирова-

нию виртуального катода - поверхности внутри пучка, на которой электростатиче-

ский потенциал равен потенциалу катода и где в отсутствие ВЧ полей скорость

электронов обращается в нуль. В процессе генерации происходят модуляция кол-

30.4

Виркаторы 649

лекторного и отраженного токов, инерционная группировка электронов и осцилля-

ции координаты места отражения частиц. Все эти явления в различной степени

участвуют в процессе фазовой группировки электронов пучка в ВЧ поле. Обратная

связь в генераторе осуществляется за счет распространения электромагнитных

волн в системе, а также за счет присутствия разнонаправленных потоков заряжен-

ных частиц. В связи с этим можно разделить виркаторы на две большие группы:

1) Генераторы с электродинамической обратной связью досеточного и после-

сеточного пространств (рис. 12, а, 12 в, 13).

2) Генераторы без электродинамической обратной связи (рис. 12, б, г).

Морфологически в сложившейся классификации выделяют отражательные

триоды, в которых виртуальный катод формируется в тормозящем потенциальном

поле (рис. 12, а\ и собственно виркаторы, в которых формирование виртуального

катода происходит в области с эквипотенциальными границами (рис. 12, б, в).

В отдельную группу иногда относят редитроны - виркаторы с магнитным полем, в

которых поток электронов, отраженных от виртуального катода, отсекается колли-

матором для предотвращения его возвращения в диодный промежуток (рис. 12, г).

Виркаторы привлекли к себе внимание [17,41-47] прежде всего как источники

мощного микроволнового излучения, способные работать без внешнего магнитно-

го поля. С другой стороны, ввиду того, что длина области взаимодействия потока

частиц и высокочастотного поля в виркаторах сравнима с длиной волны излучения,

эти приборы оказываются относительно компактными, что является немаловаж-

ным при генерации излучения в длинноволновой части СВЧ-диапазона.

Исследования отражательных триодов с виртуальным катодом проводились в

ТПУ [43]. В экспериментах с использованием сверхразмерного цилиндрического

резонатора увеличение эффективности генерации было достигнуто путем оптими-

зации распределения ВЧ-поля в резонаторе посредством установки в его объеме

поглощающих и отражающих поверхностей. В дециметровом диапазоне были по-

лучены микроволновые импульсы мощностью до 1,2 ГВт и длительностью более

ВК

Г-ГТ-

7— —•

(б)

вк

(в)

Рис. 30.12. Конфигурации СВЧ-приборов с виртуальным катодом: а - отражательный триод,

б - аксиальный виркатор, в - радиальный виркатор, г - редитрон. Стрелками указано на-

правление СВЧ-излучения