автореферат диссертации по электронике, 05.27.02, диссертация на тему:Методы повышения эффективности СВЧ-приборовс прямолинейными и слабоискривленнымирелятивистскими электронными пучками

Российская академия наук Сибирское отделение р 0 И0$питут сильноточной электроники

, г г... .. . • На правах рукописи

СМОРГОПСШЙ Андрей Владимирович

Методы повышения эффективности СВЧ-щшборов с прямолинейными и слабоискрпвлеипымп релятивистскими электронными пучками

05.27.02 - вакуумная и плазменная электроника 01.04.04 - физическая электроника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Томск - 1994

Работа выполнена в Институте прикладной физики РАН г. Нижний Новгород

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук профессор А.А.Рухадзе (ИОФ РАН), доктор физико-математических наук профессор В.А.Солнцев (МИЭМ), доктор физико-математических наук В.И.Кошелев (ИСЭ СО РАН)

Ведущая организация:

Московский радиотехнический институт (МРТИ) (г.Москва)

Защита состоится_199 г. в часов на

заседании специализированного совета Д 003.41.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора физико-математических наук в Институте сильноточной электроники СО РАН (684055, г.Томск, пр.Академический 4).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института сильноточной электроники СО РАН.

Автореферат разослан _199 г.

"Ученый секретарь специализированного совета доктор физико-математических наук профессор

Д.И.Проскуровский

Общая характеристика работы История вопроса и актуальность темы

Релятивистская высокочастотная электроника (РВЭ) -относительно молодая наука, заявившая о своем появлении в начале семидесятых годов и превратившаяся к настоящему времени в высокоразвитую область научных исследований. Обладая уже сейчас неплохим заделом в решении прикладных задач, она может, по-видимому, послужить в будущем основой для развития на ее базе технических отраслей, таких, например, как СВЧ-энергетика. С физической точки зренияя РВЭ - это наука о преобразовании энергии релятивистских электронных потоков (т.е. потоков заряженных частиц, которые движутся со скоростями, близкими к скорости света и соответственно обладают энергией, значительно превышающей их энергию покоя) в энергию электромагнитного излучения. В этом смысле критериями ее успехов можно считать, во-первых, достигнутую эффективность преобразования энергии или величину КПД электронного прибора и, во-вторых, уровень мощности излучения, который эти приборы могут обеспечить в различных диапазонах длин волн. На последующих этапах берутся в расчет уже более "тонкие" характеристики приборов, такие как стабильность, устойчивость, перестраиваемость (управляемость) и т.д.

Что касается первого критерия - эффективности, то здесь РВЭ ни в теории, ни в эксперименте практически не уступает своей предшественнице и прародительнице - традиционной нерелятивистской СВЧ-электронике. Так уже в первых совместных экспериментах (НИРФИ, ФИАН СССР, 1973) был достигнут КПД преобразования мощности электронного пучка в мощность электромагнитного излучения свыше 10%. В более поздних экспериментах (ИСЭ СОАН СССР, ИПФ АН СССР, 1980) он был поднят до (30-35)%. Теоретические расчеты для релятивистских приборов, основанных на механизме взаимодействия типа "0", дают в зависимости от конструкции электродинамической системы предельный уровень в (40-60)%, а при переходе к механизму типа "Т" (захвату частиц полем волны) до (70-90)%.

По второму критерию - достигнутому уровню мощности, РВЭ вне конкуренции по величине пиковых мощностей в импульсном режиме (особенно в относительно длинноволновых сантиметровом и миллиметровом диапазонах, где достигнут гигаваттный уровень мощности), но она пока всего лишь на уровне, а в ряде диапазонов и отстает от достигнутого с помощью других источников излучений в смысле средних значений. Если же говорить о широте охвата с ее помощью различных диапазонов шкалы электромагнитных волн, то здесь ей нет равных, ибо приборы РВЭ работают в сантиметровом, миллиметровом диапазонах длин волн, в диапазоне видимого света и прилегающих к нему, в ультрафиолетовом диапазоне, а наиболее смелые проекты нацелены уже и на рентгеновский диапазон. Конечно, степень проникновения в каждый из перечисленных диапазонов с помощью приборов РВЭ весьма различна, как различны и конструкции создаваемых для каждого конкретного диапазона устройств. Однако сам факт освоения практически всей шкалы частот электромагнитных волн с помощью приборов, работающих на единых физических принципах, говорит о высокой степени развития РВЭ как науки. Начало научной деятельности автора по счастливой случайности совпало с моментом зарождения релятивистской высокочастотной электроники в нашей стране. Первые работы, выполненные им под руководством академика А.В.Гапонова-Грехова и профессора М.И.Петелина, были направлены на расчет и экспериментальное исследование некоторых

конкретных видов приборов, но одновременно касались и принципиальных вопросов теоретического и

экспериментального обоснования возможностей эффективного преобразования энергии релятивистских электронных потоков в СВЧ-излучение. (Эти работы легли в основу кандидатской диссертации автора).

Дальнейшая его деятельность оставалась также в русле развития релятивистской высокочастотной электроники и была направлена в основном на поиск механизмов взаимодействия и методов, их использования, позволяющих повысить КПД электронных приборов. Конкретные цели, которые ставил

перед собой автор, и полученные результаты, составившие содержание данной работы, сформулированы ниже.

1. Теоретическое и экспериментальное изучение различных типов релятивистских СВЧ-приборов и совершенствование конструкций наиболее перспективных из них до уровня, позволяющего использовать такие приборы не только в исследовательских работах, но и в радиотехнических системах и в других прикладных целях.

2. Развитие методов повышения КПД приборов, использующих релятивистский эффект Доплера (лазеров и мазеров на свободных электронах).

3. Оптимизация выходных параметров некоторых типов релятивистских приборов. В первую очередь - повышение эффективности, коэффициента усиления, стабильности,а также снижение стартового тока и ряда других параметров.

4. Разработка методов эффективного преобразования частот в электронных СВЧ-приборов.

Научная новизна и практическая значимость работы.

1. Предложена и развита конструкция релятивистских генераторов типа ЛОВ с неоднородным импедансом связи, обладавших весьма высоким КПД и способных работать в режиме периодического следования импульсов. На их основе кооперацией из нескольких институтов создана радиолокационная станция с высокой контрастностью изображения объектов.

2. Теоретически и экспериментально исследован ряд секционированных приборов с релятивистскими электронными пучками. Решены задачи о нахождении наиболее стабильных режимов генерации, о достижимом коэффициенте усиления в двухрезонаторном клистроне, о повышении эффективности отбора энергии у неоптимально сгруппированного пучка. С использованием этих идей в совместных экспериментах ИПФ РАН и ИСЭ СО АН РАН реализован секционированный генератор миллиметрового диапазона с разделенным электронным пучком.

3. Развит метод расчета приборов с нефиксированной структурой поля, которые могут обладать выходными параметрами, эквивалентными сопоставляемому с ними генератору с заданным полем. С помощью этого метода проведена оптимизация ЛСЭ-усилителя, решена задача об обеспечении стационарного режима в "бесконечно" длинном СВЧ-приборе с тянущим электрическим полем и распределенным отбором СВЧ-энергии, о достижении предельно высокой эффективности умножителя частот с захватом частиц полем волны.

4. Рассмотрен новый тип квазиоптической замедляющей системы, сочетающей большое поперечное сечение с высокими селективными свойствами и высоким сопротивлением связи в ней волны й пучка. Такая система может найти применение как в СВЧ-приборах, так и в ускорителях.

5. Предложены нетрадиционные методы преобразования частот в приборах пролетного типа, позволяющие поднять эффективность преобразователей до уровня моночастотных генераторов. На основе таких преобразователей созданы источники широкополосных шумовых сигналов в миллиметровом диапазоне длин волн.

Использование результатов.

Результаты диссертации были использоаны при создании в совместных экспериментах ИСЭ СО РАН и ИПФ РАН мощных и эффективных ЛОВ сантиметрового диапазона. Эти лампы в свою очередь стали основой для создания кооперацией из нескольких институтов РЛС с генераторной частью на релятивистском приборе.

Теоретические изыскания автора и сделанные на основе развитой теории расчеты неоднократно использовались при конструировании различных типов релятивистских приборов для экспериментов, проводившихся в ИСЭ СОАН СССР, СКВ НП УрОт АН СССР и для интерпретации получаемых результатов.

Развитые в диссертации методы преобразования частоты были использованы при создании широкополосных шумовых источников миллиметрового диапазона, нашедших применение в спектроскопии газовых сред и в исследвашгах по воздействию шумовых сигналов на биологические объекты.

Апробация работы.

Материалы диссертации докладывались и обсуждались на семинарах в ИПФ АН СССР (Нижний Новгород), ИСЭ СОАН СССР (Томск), ИОФ АН СССР (Москва), НИИ "Титан" (Москва), ОИЯИ (Дубна), ЦКБ "Алмаз" (Москва), а также на Всесоюзных и международных конференциях, семинарах и симпозиумах: "Электроника СВЧ" - Киев 1979, Минск 1983, Орджоникидзе 1986, "Релятивистская высокочастотная электроника" - Горький 1978, 1983, Томск 1980, 1991, Москва 1984, Новосибирск 1987, Свердловск 1989, "Колебательные явления в потоках заряженных частиц' - Ленинград 1977, 1981, "Рабочие совещания по лазерам и мазерам на свободных электронах" - Москва 1981, Горький 1984, 1986, "Всесоюзные симпозиумы по сильноточной электронике - Новосибирск-Томск 1986, "Зимние школы - семинары инженеров по электронике СВЧ и радиофизике" - Саратов 1978, 1987, "Плазменная электроника" - Харьков 1988, "Совещание по новым методам ускорения, включая коллективные методы ускорения ионов" -Киев 1989, "Мощные электронные пучки" - Новосибирск 1990, Вашингтон 1992, "Международный микроволновой симпозиум" -Альбукерке 1992, "Международная конференция по миллиметровым и субмиллиметровым волнам и их

применению" - Сан-Диего 1994.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из Введения, четырех глав, Заключения и Приложения. В ней 359 страниц, включая рисунки на 90 листах. В списке цитированной литературы 276 наименований, включая 47 с участием автора. Основные результаты опубликованы в 33 работах и подтверждены 6 авторскими свидетельствами, список которых приведен в конце автореферата.

Содержание работы.

Во Введении кратко описывается история возникновения релятивистской высокочастотной электроники, отмечаются поворотные пункты ее становления как самостоятельной области научных исследований, обосновывается актуальность темы диссертации, лежащей в русле основных направлений ее развития. Указывается практическая значимость полученных результатов, их научная новизна и приводится краткое содержание работы.

В первой главе дается тезисное описание основных сведений по механизму взаимодействия типа "О", известных к моменту начала данной работы. В частности, на элементарном физическом уровне описывается процесс группировки электронов и их торможения полем высокочастотной волны. Найденные связи основных параметров прибора с энергией частиц пучка позволили утверждать, что этот механизм может быть эффективен как в слаборелятивистской, так и в релятивистской и ультрарелятивистской (где у=(1Л/Т—У2/с2)»1) областях энергий. (Здесь V - скорость электронов, с - скорость света, у- отношение полной энергии к энергии покоя частиц).

Далее записывается система более строгих уравнений, получаемая из уравнений возбуждения электродинамических систем и уравнений движения заряженных частиц, образующих возбуждающий ток, при ряде упрощающих предположений. Основные из них - это предположения об одномерности модели, о слабости поля пространственного заряда пучка, об одномодовости возбуждаемых колебаний и ряд других. (По мере расширения модели некоторые из них в дальнейшем отбрасываются). Кроме того приводятся данные, полученные ранее в основном из теоретических расчетов, о влиянии структуры высокочастотного поля на достижимый КПД в релятивистских приборах.

На основании имеющейся совокупной информации был сделан вывод о перспективности исследований в качестве базовой модели генератора типа релятивистской ЛОВ с неоднородным импедансом связи вдоль пространства взаимодействия. Многочисленные эксперименты, проводившиеся совместно с сотрудниками ИСЭ СОАН СССР, ставили своей целью детальное

изучение всех характеристик такого типа приборов, проверку надежности их работы и в конечном итоге подготовку их к применению в прикладных радиотехнических системах.

В результате экспериментальных исследований было установлено, что эффективность преобразования мощности электронных пучков в мощность электромагнитного излучения 3-х сантиметрового диапазона с помощью таких приборов может достигать 30-35%. При этом использовались электронные пучки с энергией частиц (300-500) кВ и током (406) кА. Выходная мощность, составлявшая в первых экспериментах (150-300) МВт, была доведена затем до гигаваттного уровня.

В процессе экспериментов обнаружен эффект циклотронного поглощения волн * в приборах типа ЛОВ при выполнении резонансного условия СО + Ьу^ = Юн , что препятствовало работе ЛОВ при умеренных магнитных полях.

( Ю- частота волны, Ь - ее продольное число, V], - поступательная

скорость электронов, шн - циклотронная частота вращения частиц в фокусирующем магнитном поле). Это потребовало для успешной работы приборов в указанном диапазоне использовать весьма сильные магнитные поля (порядка (20-30) кЭ), получать которые в обычных постоянных или импульсных соленоидах оказалось невыгодно с энергетической точки зрения. Для преодоления возникших трудностей были сконструированы специальные криомагнитные системы, создававшие в пужном объеме постоянные поля напраженностыо в 30 кЭ.

В результате совместных усилий ряда организаций (автор принимал участие в этих работах наряду с другими специалистами) была создана радиолокационная станция, генераторная часть которой базировалась на релятивистской ЛОВ с неоднородным импедансом связи. Основным достоинством этой РЛС была высокая контрастность изображения объекта на фоне подстилающей поверхности, что достигалось за счет сочетания очень малой длительности генерируемого импульса (единицы наносекунд) при очень высокой мощности излучения (на уровне гигаватта).

* Этот эффект был одновременно и независимо обнаружен сразу несколькими исследовательскими группами.

В настоящее время по заказу зарубежных фирм создается усовершенствованный вариант такой РЛС.

Параллельно развивалась теория других релятивистских приборов, использующих механизм взаимодействия "0"-типа. Наибольшее внимание автор уделял секционированным приборам, в которых функции элементов, осуществляющих модуляцию, группировку и торможение частиц, достаточно четко разделены. В частности, были построены основные элементы теории двухрезонаторных релятивистских клистронов. Из проведенных на этой базе расчетов сделаны выводы о том, что эти приборы могут обладать коэффициентом усиления, сравнимым с тем, который имеют их слаборелятивистские аналоги, т.е. (10-15) дБ. Однако токи, используемые в них, должны быть при этом малы по сравнении) с предельными.

Учитывая малую длительность токовых импульсов, обычно применяемых в релятивистских устройствах большой мощности при работе с взрывоэмиссионными катодами (характерная длительность импульсов обычно не превышает (1020) не), была предложена схема предварительного накопления энергии во входной секции клистрона. Расчет показал, что при использовании самого электронного пучка в качестве "переключателя" добротности резонатора - накопителя возможно дополнительное повышение коэффициента усиления еще на (1015) дБ.

Была развита теория стабильных режимов генерации в секционированных приборах с самовозбуждающимися входными секциями. С ее помощью были найдены области параметров, при выборе которых выходные характеристики прибора в наименьшей степени зависят от колебаний напряжения и тока пучка.

Учитывая большой разрыв в мощностях используемых релятивистских пучков и мощностях СВЧ-сигнала, который мог бы быть подан от нерелятивистских источников для их модуляции, были проведены расчеты по поиску эффективных режимов отбора энергии у неоптимально сгруппированного пучка. Эти данные были использованы при конструировании секционированного генератора с разделенным электронным

пучком. Такой генератор, испытанный в совместных экспериментах ИПФ АН СССР и ИСЭ СОАН СССР, позволил достичь на длине волны, равной 10 мм, выходной мощности порядка 500 МВт при КПД 20%.

Важным достоинством разработанной конструкции было осуществление отбора энергии в сверхразмерной выходной секции, имевшей поперечное сечение диаметром около ЗА. ( X -рабочая длина волны). При этом монохроматичность и одномодовость генерируемых колебаний достигалась за счет селективных свойств модулирующей секции, имевшей малое поперечное сечение и возбуждавшейся отдельным электронным пучком, снимавшимся с разделенного катода.

В более длинноволновом (3-х см) диапазоне также был испытан секционированный генератор с самовозбуждающейся входной секцией. В нем использовался единый (неразделенный) электронный пучок, а достигнутая в нем выходная мощность излучения составляла около 300 МВт при КПД 30%.

Мощности, генерируемой секционированными

генераторами, при небольшой фокусировке волн и (или) при их сложении после отражения от зеркала хватало для пробоя воздуха при атмосферном давлении, что было зафиксировано в ряде экспериментов.

Вторая глава посвящена поиску методов повышения КПД приборов, использующих релятивистский эффект Доплера. Суть этого эффекта, известного для спонтанного излучения частиц с начала 50-х годов (работы В.Л.Гинзбурга и Г.Мотца) состоит в том, что электроны - осцилляторы, движущиеся с релятивистскими поступательными скоростями, излучают вперед частоту более, чем в у2 раз превышающую частоту их собственных колебаний. На языке синхронизмов волны и пучка, принятом в электронике, это означает синхронизм колебаний частиц, движущихся, например, в пространственно-периодическом статическом поле (убитроны) или в поле бегущей навстречу пучку электромагнитной волны (скаттроны), с полем попутной релятивистскому поступательному движению пучка электромагнитной волной: о - = £2 ( £"2 - частота осцилляций частиц). С практической точки зрения это условие означает, что в приборе, где частица успевает совершить N колебаний, длина

пространства взаимодействия составляет у2/Ш , т.е. в N раз превосходит оптимальную для эффективного использования механизма типа "О". Простейшие оценки показывают, что достижимый КПД в этом случае мал ( т] ~ МГ"1 ). Кроме того, из-за чрезмерного удлинения пространства взаимодействия остро встает вопрос о допустимом разбросе частиц пучка по энергиям, а из-за укорочения рабочей длины волны и сокращения (с целью обеспечения селекции) его поперечного сечения и вопрос о требуемых для нормальной работы прибора плотностях тока.

Два последних вопроса были рассмотрены весьма подробно, и, в частнобти, влияние разброса энергий частиц на стартовые условия приборов было прослежено от пренебрежимо малого , когда пучок можно считать моноэнергетическим, а в приборе реализуется гидродинамический режим взаимодействия, до очень большого, когда взаимодействие пучка с волной носит по сути кинетический характер.

Установлена связь между выбором параметра расстройки в том и другом режиме и скоростью снижения стартового тока по мере роста длины пространства взаимодействия, ток в гидродинамическом режиме пропорционален Ы:3, а в кинетическом, где взаимодействие по своей физической сути сводится к эффекту обратного затухания Ландау,пропорционального КГ"1 .

Была также проведена оптимизация приборов по структуре поля с целью максимального снижения стартовых токов для приборов с доплеровским преобразованием частоты, поскольку многочисленные оценки и расчеты показывали, что обеспечение самовозбуждения таких устройств в коротковолновых диапазонах достигается весьма непросто. Для ограниченного в каждой точке по величине параметра связи были найдены оптимальные формы его зависимости от продольной координаты и вычислены соответствующие стартовые токи. При ограничении сопротивления связи лишь интегральным соотношением, т.е. допущением его неограниченного роста в отдельных точках, что эквивалентно постановке задачи об оптимальной по минимуму стартового тока структуре поля в клистроне со связанными резонаторами, была найдена минимизирующая последовательность параметров, сводящая стартовый ток к нулю.

В экспериментальном плане проверке подвергалась возможность наблюдения вынужденного рассеяния волн непосредственно в лампе обратной волны, где пучок, движущийся с релятивистской скоростью навстречу основной (нулевой) гармонике, как бы изначально имел возможность переизлучить ее (хотя бы на спонтанном уровне) в более высокочастотную волну. Принципиальная возможность осуществления вынужденного рассеяния в таких условиях (в том числе в единственную высокочастотную моду) была доказана в совместных экспериментах с ИСЭ СО АН СССР, хотя интерпретация многих "тонких" результатов измерений оказалась весьма сложной из-за наличия в таком приборе принципиально неустранимых сопутствующих механизмов взаимодействия.

Что же касается достижения достаточно высокого КПД в приборах с доплеровским преобразоанием частоты (т.е. выхода за рамки ограничения г| « ), то это удалось сделать только отказавшись от использования механизма типа "О".

История применения в релятивистской электронике СВЧ метода захвата и адиабатического торможения частиц полем волны, решавшего эту проблему, примечательна в том плане, что сам метод был известен в смежной с электроникой области еще с сороковых годов, т.к. лежал в основе Действия всех электронных ускорителей. Затем, уже в семидесятые годы, он был предложен непосредственно для применения в СВЧ-электронике Е.Д.Белявским, что однако адекватного резонанса не вызвало. И только после опубликования уже в восьмидесятые годы работ Н.Кролла, Ф.Мортона и М.Розенблюта этот метод вошел в практику расчетов приборов и был исследован в экспериментах.

, Автор использовал этот метод для оптимизации условий захвата частиц полем волны. Были рассмотрены механизмы плавного (в масштабе периода фазовых колебаний частиц) и резкого скачкообразного роста сопротивления связи или амплитуды синхронной волны и выяснена степень демпфирования амплитуды колебаний частиц в обоих случаях. Были изучены также особенности захвата частиц прямолинейных пучков (например, в ЛБВ) и осциллирующих, слабоискривленных (как, например, в убитропе). Далее,

поскольку из численных расчетов выяснилось, что для успешной работы приборов, основанных на таком механизме взаимодей-ствится, необходимы весьма специфические фазовые и амплитудные соотношения между волной и током пучка, заранее обеспечить выполнение которых в приборах с нефиксированной структурой поля весьма непросто, был предложен метод сравненная с приборами с заданным полем. Суть его состояла в том, что задавая поле и фиксируя в высокочастотном поле необходимые соотношения, параллельно вычислялись фазовые и амплитудные искажения, которые пучок мог бы внести в это поле. Затем, исходя из требования эквивалентности условий движения частиц в фиксированном и в самосогласованном полях находились необходимые поправки к "холодной" расстройке и "холодному" сопротивлению связи, обеспечивающие такую эквивалентность. Этот метод оказался весьма мощньхм и был применен для решения целого ряда задач, в частности, для оптимизации усилителей с захватом частиц полем волны, где расчетный КПД был доведен до (70-80)% (против 46%, полученных без оптимизации).

В третьей главе были рассмотрены некоторые вопросы РВЭ, примыкающие к проблемам ускорения заряженных частиц. Так, опираясь на методы, развитые в предыдущей главе, была решена задача о стационарной работе "бесконечно" длинного прибора типа лазера или мазера на свободных электронах, в которой электронный пучок подускорялся однородным в пространстве электрическим полем, а генерируемая СВЧ-энергия ответвлялась в параллельно расположенную ускорительную секцию. Были выяснены предельные по достижимой энергии частиц возмолшоети такого типа ускорителя (называемого по имени предложившего его ученого "двухпучковым ускорителем А.Сесслера"), которые , как оказалось, растут пропорционально квадрату энергии частиц в питающем СВЧ-генераторе.

Предложена конструкция квазиоптической замедляющей системы, в качестве прототипа которой выступает обычная зеркальная линия. (На возможность использования последней как замедляющей системы впервые указал В.И.Канавец). Развивая эту систему в пространстве, удалось избежать основного недостатка обычной зеркальной линии как замедляющей системы - больших холостых пробегов электронного

потока между областями интенсивного взаимодействия с волновыми пучками. Построена линейная и нелинейная теории взаимодействия электронов с полем такой системы, а также указаны возможности применения подобных квазиоптических замедляющих систем как в СВЧ-приборах, так и в ускорителях.

В четвертой главе развиваются не традиционные для электроники СВЧ методы преобразования частоты в пролетных приборах. В начале рассматривается прибор клистронного типа со сжатием токового импульса (модулированного высокочастотным сигналом) за счет подачи на катод или дополнительный управляющий электрод электронной пушки растущего во времени напряжения. Сближение сгустков (в пространстве) в процессе движения их в трубке дрейфа воспринимается выходным резонатором как соответствующая перестройка частоты.. Строится достаточно точная теория этого процесса и даются оценки возможности практической реализации.

В следующем параграфе рассматривается также прибор клистронного типа, в котором промодулированный заранее пучок ускоряется как целое. Уменьшение времени пролета центров сгустков относительно зазора выходного резонатора воспринимается выходной секцией (в том числе распределенной) как перестройка частоты ("сжатие во времени"). Находятся условия преобразования частоты в определенное (не обязательно целое) число раз, а также решается задача о получении на выходе частотно модулированного по определенному закону сигнала.

В теоретическом плане рассматривается также задача об изменении порога стохастизации генератора (на примере прибора типа ЛОВ) по параметру "длина-ток" при внесении дополнительной низкочастотной модуляции в скорость движения частиц. В численных расчетах обнаружен эффект снижения порога (примерно на 30%) при модуляции напряжения питания непериодическим сигналом на частотах, близких к времени переходных процессов в генераторе.

С целью создания широкоплосных шумовых источников миллиметрового диапазона идеи использования

несинусоидальной модуляции в пролетных электронных

приборах были апробированы на усилителе типа ЛБВ 8-мм диапазона и на генераторе типа ЛОВ 2-мм диапазона.

При подаче на вход ЛБВ достаточно мощного -синусоидального сигнала, переводящего усилитель в нелинейный режим и дополнительного модулирующего сигнала в форме трех несоизмеримых частот удавалось получить на выходе широкополосный (±10% от. несущей) шумоподобный сигнал. Однако добиться полностью равномерного спектра в этих условиях не удавалось, и характерные амплитуды спектральных составляющих вблизи несущей оставались на (З-Ю)дБ выше, чем на остальных частотах.

При модуляции генератора использовалась одновременная подача регулярного сигнала, переводящего ЛОВ в режим преимущественной частотной модуляции выходного сигнала и относительно мощного низкочастотного шумового сигнала. Последний, заполняя промежутки между отдельными составляющими ЧМ-сигнала (с большим перекрытием) обеспечивал на выходе лампы широкополосный шумовой сигнал с амплитудной неравномерностью спектра,не превышавшей 3 дБ.

В конце главы описана работа умножителя частоты, использующего эффект захвата частиц полем волны. Показано, что при соответствующем подборе параметров прибора может быть осуществлена преимущественная передача энергии в высокочастотную волну либо от электронного пучка, либо от низкочастотной волны. В последнем случае энергия пучка может быть существенно меньше энергии каждой из волн, а коэффициент передачи от волны к волне (с кратными частотами) может быть приближен к 100% .

В Заключении сформулированы основные результаты работы.

В Приложение отнесена задача о предельной скорости нарастания напряжения в коаксиальной формирующей линии (ФЛ). Получение сверхкоротких высоковольтных импульсов с помощью ФЛ ограничивается предельной электропрочностью линий и возможностью возбуждения в них волноводных типов волн при коммутации линии на нагрузку. В рамках этих ограничений найдены оптимальные параметры одиночной и

двойной ФЛ, обеспечивающие максимальную крутизну и амплитуду формируемого импульса.

Основные результаты диссертации.

1. Предложена и развита конструкция релятивистской ЛОВ с неоднородным импедансом связи для работы в сантиметровом диапазоне длин волн, послужившая основой для генераторной части наносекундной радиолокационной станции (РЛС), (созданной кооперацией из нескольких институтов), позволившей достичь контрастности изображения объектов на фоне рассеивающей поверхности, недостижимой для РЛС других типов.

2. Развитая теория секционированных приборов показала:

- коэффициент усиления (КУ) двухрезонаторных клистронов с релятивистскими электронными пучками также как и их слаборелятивистских аналогов может достигать 10-15 дБ. При работе с наносекундными импульсами и использовании эффекта накопления энергии во входной секции КУ релятивистского клистрона может быть повышен еще на 10-15 дБ;

в области параметров, обеспечивающих высокую стабильность работы секционированного прибора с

самовозбуждающейся входной секцией, а также при работе с относительно малыми значениями параметра, группировки (X < 0,3-1) выходной КПД прибора может достигать (20-35)% в зависимости от конструкции выходной секции.

3. Экспериментальное исследование секционированных приборов с самовозбуждающимися входными секциями подтвердило основные положения теории и показало перспективность таких устройств для создания мощных источников излучения в миллиметровом диапазоне длин волн.

4. В развитие метода адиабатического торможения захваченных полем волны частиц предложены два способа осаждения электронов к дну потенциальной ямы способствующие их более . длительному удержанию в режиме захвата:

- плавное адиабатическое наращивание сопротивления связи, при котором все захваченные частицы снижают амплитуду своих фазовых колебаний пропорционально корню четвертой степени из отношения сопротивлений связи в начале и в конце участка;

резкое скачкообразное изменение сопротивления связи, которое следует производить в момент, соответствующий первой четверти периода фазовых колебаний частиц, позволяющее уменьшить амплитуду фазовых колебаний большинства захваченных частиц пропорционально корню квадратному из отношения сопротивлений связи до и после скачка.

Каждый из этих способов имеет свою наиболее подходящую область применения.

5. В рамках рассматриваемых моделей взаимодействия волны и пучка предложен математически строго обоснованный метод нахождения решения системы интегро-дифференциальных уравнений, описывающих работу приборов с

самосогласованными полями через решения системы дифференциальных уравнений более низкого порядка, описывающие движение частиц в заданных полях в генераторах с высокодобротными резонаторами. При реализации этих решений в обоих типах приборов обеспечиваются одинаковые выходные характеристики.

6.Определены условия, при которых в "бесконечно" длинном приборе с захватом частиц полем высокочастотной волны, с тянущим электрическим полем и распределенным отбором электромагнитной энергии может быть осуществлен

стационарный в пространстве режим генерации. Показана устойчивость этого режима и выяснено, что в случае использования такого генератора в качестве питающего устройства для линейного ускорителя предельная энергия частиц, достигаемая в последнем, растет пропорционально квадрату энергии частиц пучка, используемого в генераторе.

7. Предложен новый тип квазиоптической замедляющей системы, позволяющей сочетать большое (в масштабе длины волны) поперечное сечение области взаимодействия с селективными свойствами линии и с плотным расположением волновых пучков вдоль пространства взаимодействия.Показано, что такая система может быть использована как в приборах СВЧ, так и в ускорителях.

8. Предложены методы дополнительной несинусоидальной модуляции пучка в приборах клистронного типа, позволяющие преобразовывать основную частоту модуляции в произвольное, не обязательно целое, число раз без снижения эффективности прибора. Использование этих методов позволило создать на базе ЛБВ и ЛОВ миллиметрового диапазона широкополосные

(с полосой до (10-15)% от несущей) шумовые излучатели с мощностью, примерно на 6 порядков превышающей мощность ранее использовавшихся в этом диапазоне источников типа нагретого тела или газового разряда.

9. Показано, что при использовании эффекта захвата частиц полем волны умножение частот (в целое число раз) в приборах с прямолинейными и слабоискривленными относительно слабыми электронными пучками может происходить при преимущественной передаче энергии от низкочастотной волны к волне высокочастотной с эффективностью, близкой к 100%.

Список работ, содержащих основные результаты диссертации.

1. Ковалев Н.Ф., Петелин М.И., Райзер М.Д., СморгонскийА.В. Приборы типа "О", основанные на индуцированных черенковском и переходном излучениях релятивистских электронов // В кн.: Релятивистская высокочастотная электроника. Горький.: ИПФ АН СССР. 1979. С.76-113.

2. Ельчанинов A.C., Загулов Ф.Я., Ковалев Н.Ф., Коровин С.Д., Ростов В.В., Сморгонский A.B. Высокоэффективный релятивистский карсинотрон // Письма в ЖТФ. 1980. Т.6,

N 7, С. 443-446.

3. Быков Н.И., Губанов В.П., Гунин A.B., Денисов Г.Г., Загулов Ф.Я., Коровин С.Д., Ларичев Ю.Д., Орлова И.М., Полевин

С.Д., Ростов В.В., Сморгонский A.B., Якушев А.Ф. Релятивистские импульено-периодические СВЧ-генераторы сантиметрового диапозона длин волн //В кн.: Релятивистская высокочастоттная электроника. Вып.5, Горький.: ИПФ АН СССР 1988. С.101-124.

4. Белоусов В.И., Бункин Б.В., Гапонов-Грехов A.B., Ельчанинов A.C., Загулов Ф.Я., Ковалев Н.Ф., Коровин С.Д., Месяц Г.А., Осипов М.Л., Петелин М.И., Прохоров А.М., Сисакян И.Н., Сморгонский A.B. Генерация мощного микроволнового излучения потоком релятивистских электронов в режиме периодического следования импульсов // Письма в ЖТФ. 1978.Т.4, вып.23, С.1443-1448.

5. Сергеев A.C., Сморгонский A.B. Оптимизация условий взаимодействия в ЛСЭ с переменными параметрами //ЖТФ. 1987, вып.5, С 906-912. о

6. Гинзбург Н.С., Манькин H.A., Поляк В.Е., Сегеев A.C., Сморгонский A.B., Филатов В.А. Режим захвата частиц синхронной волной как метод повышения КПД приборов СВЧ //В кн.: Релятивистская высокочатотная электроника. Вып.5. Горький.: ИПФ АН СССР. 1988. С.37-77. .

7. Сергеев A.C., Сморгонский A.B. К теории ЛСЭ с переменными параметрами // Изв. вузов. Радиофизика. 1987. Т. 30, N 9. С. 1130-1137.

8. Кулагин И.С., Милославский П.Ю., Новожилова Ю.В., Сморгонский A.B., Шмелев М.Ю. Релятивистская

высокочастотная электроника // Зарубежная электроника. 1986 N 12. С. 3-39.

9. Коровин С.Д., Ростов В.В., Сморгонский A.B., Шпак В.Г., Яландин М.И. Способ визуализации импульсных СВЧ-полей. Авторское свидетельство N 583877. Приоритет от 04.01.1988. Зарегистрировано в Гос. реестре СССР 08.04.1990.

10. Коровин С.Д., Ростов В.В., Сморгонский A.B. Импульсно-периодический релятивистский карсинотрон // Изв. вузов. Радиофизика. 1986. Т.29, N 10, С. 1278-1280.

11. Бункин Б.В., Гапонов-Грехов A.B., Ельчанинов A.C., Загулов Ф.Я., Коровин С.Д., Месяц Г.А., Осипов M.JL, Отливанчик Е.А., Петелин М.И., Прохоров A.M., Ростов

B.В., Сисакян И.Н.,Сморгонский A.B., Суворов В.А. Радиолокатор на основе СВЧ-генератора с релятивистским электронным пучком // Письма в ЖТФ. 1992. Т.18, N 9.

C.61-64.

12. Bunkin В.V., Gaponov-Grekhov A.V., Elchaninov A.S., Zagulov F.Ya., Korovin S.D., Mesyats G.A., Osipov M.L., Otlivanchik E.A., Petelin M.I., Prohorov A.M., Rostov V.V., Sisakyan I.N., Smorgonsky A.V. A radar based on a high-power nanosecond microwave generator with a relativtstic electron beam // 9th International Conference on High-power particle beams. Washington DC. May 25-29. 1992. Programm abstract. P. 269.

13. Ельчанинов A.C., Загулов Ф.Я., Коровин С.Д., Ростов В.В., Сморгонский A.B. Клистрон с релятивистским электронным пучком // Изв. вузов. Радиофизика 1982 Т.25, N 8. С.966-970.

14. Ковалев Н.Ф., Сморгонский A.B. Волны в волноводе с прямолинейным электронным пучком // Тезисы докладов на межвузовской конференции по электронике СВЧ. Киев, 1979. Т. 1. С.96.

15. Ковалев Н.Ф., Петелин М.И., Сморгонский A.B. Клистронный усилитель мощности. A.C. N749279, кл. H01J 25/10, приоритет от 04.01.1979.

16. Абубакиров Э.Б., Ковалев Н.Ф., Петелин М.И., Сморгонский A.B. О возможности совмещения высокой эффективности с высокой селективностью в секционированных высокочастотных релятивистских генераторах // Тез. Докл. IV Всесоюзного семинара по релятивистской электропике М.: Изд-во МГУ,1984. С. 72.

17. Абубакиров Э.Б., Сморгонский A.B. Получение стабильных

режимов автоколебаний в релятивистском секционированном СВЧ-генераторе // Радиотехника и электроника. 1990. Т. 5. N 1. С. 133-138.

18. Братман B.JI., Денисов Г.Г., Ковалев Н.Ф., Коровин С.Д., Петелин М.И., Полевин С.Д., Ростов В.В., Сморгонский А.В. Релятивистский СВЧ-прибор. А.С. N 1457708,

кл. H01.J25/00. Приоритет от 28.01.87.

19. Abubakirov Е.В., Botvinnik I.E., Bratman V.L., Denisov G.G., Perel'stein E.A., Polevin S.D., Rostov V.V., Sidorov A.I., Smorgonsky A.V., Vinogradov D.V. Experimental investigation of Cherenkov microwave amplifiers with high-current relativistic beam // Proc. of the 8-th Int. Conf. on High-Power particle beams. Novosibirsk. USSR. 1990. V. 2. PX-06,

P. 1179-1186.

20. Братман B.JI., Губанов В.П., Денисов Г.Г., Коровин С.Д., Полевин С.Д., Ростов В.В., Сморгонский А.В. Экспериментальное исследование секционированного СВЧ-генератора с релятивистским электронным пучком // Письма в ЖТФ. 1982. Т. 14, вып. 1. С.9-14.

21. Братман B.JI., Гинзбург Н.С., Петелин М.И.. Сморгонский А.В. Убитроны и скаттроны // В кн.: Релятивистская высокочастотная электроника. Горький.: ИПФ АН СССР, 1979. С. 217-248.

22. Denisov G.G., Gubanov V.P., Korovin S.D., Rostov V.V., Smorgonsky A.V., Yalandin M.I. Powerful electromagnetic millimeter-wave oscillations produced by stimulated scattering of microwave radiation by relativistic electron beams //

Int. Journ. of Infrared and Millimeter Waves. 1984. V. 5, P. 1389-1403.

23. Губанов В.П., Коровин С.Д., Ростов В.В., Сморгонский А.В., Яландин М.И. Исследование спектра релятивистского карсинотрона // Письма в ЖТФ. 1985. Т. 11, N 2. С. 93-96.

24. Родыгин JI.B., Сморгонский А.В. Влияние энергетического разброса электронов на условия самовозбуждения лазеров на свободных электронах // ЖТФ. 1982. Т.52, вып. 10. С. 20132019.

25. Розенцвейг В.А., Сморгонский А.В., Старобинец Й.М. Минимизация стартовых токов в релятивистских СВЧ-приборах // ЖТФ. 1991. Т. 61, вып.З. С.108-115.

26. Bratman V.L., Denisov G.G., Ginsburg N.S., Smorgonsky A.V., Korovin S.D., Polevin S.D., Rostov УЛ., Yalandin M.I.

Stimulated scattering of waves in microwave generators with high-current relativistic electron beams: simulation of two-stage free-electron lasers // Intern. Journ. of Electronics.

1985. V. 59. N 3. P. 247-289.

27. Братман В.JI., Губанов В.П., Денисов Г.Г., Коровин С.Д., Полевин С.Д., Ростов В.В., Сморгонский A.B. Релятивистские оротроны - мощные источники когерентного миллиметрового излучения // Письма в ЖТФ. 1984. Т. 10, вып. 13. С. 807-811.

28. Гинзбург Н.С., Сергеев A.C., Сморгонский A.B. Методы оптимизации лазеров и мазеров на свободных электронах. Лекции по электронике СВЧ и радиофизике // 7-я зимняя школа-семинар инженеров. Саратов. 1987. Кн.2. С.74-102.

29. Абубакиров Э.Б., Сморгонский A.B. Повышение эффективности стабильных режимов в релятивистских секционированных приборах // Радиотехника и электроника. 1990. Т. 35, N 12. С.2644-2647.

30. Гунзбург Н.С., Сергеев A.C., Сморгонский A.B. Моделирование процессов взаимодействия в электронных СВЧ-генераторах с тянущим электрическим полем, используемых в качестве источника питания двухцучковых ускорителей // ЖТФ. 1989. Т. 59, N 3. С. 135-144.

31. Геликонов В.И., Сморгонский A.B. Замедляющая электродинамическая система. A.C. N 1253371. Приоритет от 20.08.84. Кл. 4H01J 23/24.

32. Родыгин Л.В., Сморгонский A.B. Преобразование частоты в приборе клистронного типа // Радиотехника и электроника.

1986. Т. 31, вып. 5. С.973-980.

33. Сморгонский A.B. Импульсный СВЧ-прибор.

A.C. N 1082221. Приоритет от 28.05.82. Кл. 4H01J 25/00. Бюллетень Госкомизобретений N 1, 1989,

34. Сморгонский A.B. Ускорение электронного пучка как метод преобразования частоты // Радиотехника и электроника 1992. Т. 37, N 1. С.126-131.

35. Вакс В.Л., Сморгонский A.B. Способ формирования СВЧ-шумового сигнала в СВЧ-приборах пролетного типа. A.C.

N 1646440. Зарегистрировано в Госреестре СССР 03.01.1991. кл. НОЗВ 29/00.

36. Вакс В.Л., Сморгонский А^В., Шулешов А.О. Источник шума миллиметрового диапазона длин волн на основе электронного усилителя // Радиотехника и электроника

1992. Т. 37, N 3. С.521-526.

37. Вакс B.JL, Гинзбург Н.С., Сергеев А.С., Сморгонский А.В., Ходос В.Б., Шулешов А.О. Использование модуляции в СВЧ-генераторах для получения стохастического выходного сигнала // Радиотехника и электроника. 1994. Т.39, N'6.

38. Khodos V., Smorgonsky A., Shuleshov A., Vaks V. A Noise generator millimeter wavelength range. Intern. Conference on millimeter and submillimeter waves and application // San-Diego, California, USA, Jan. 1994. Abstracs report. P. 127.

39. Мовшевич Б.З., Сморгонский A.B. Предельная скорость нарастания напряжения в коаксиальных формирующих линиях // Радиотехника и электроника. 1984. Т. 29, N 9. С.1696-1699.