Введение к работе
Актуальность темы. Релятивистские высокочастотные
электронные приборы—позволяют—получать значительно
большие мощности излучения в диапазонах длин волн, освоенных нерелятивистской электроникой, а также продвинуться в новые, доступные ранее лишь для квантовых приборов, диапазоны от субмиллиметрового до ультрафиолетового [1*-4*]. Использование таких генераторов представляется перспективным при решении таких проблем, как нагрев плазмы в установках управляемого термоядерного синтеза, ускорение элементарных частиц до высоких энергий, синтез новых материалов, очистка и поддержание химического состава атмосферы, и др [4*]. При этом в сантиметровом диапазоне длин волн доминируют традиционные приборы, основанные на черенковском и переходном индуцированном излучении прямолинейных электронных пучков (ЛБВ, клистрон, ЛОВ, магнетрон). Однако по мере продвижения в область более коротких волн более привлекательны так , называемые электронные мазеры [5*.-11*] - приборы, основанные на индуцированном тормозном излучении криволинейных потоков частиц; осциллирующих либо в ведущем магнитостатическом поле (мазеры на, циклотронном резонансе), либо в пространственно-периодическом магнитостатическом поле (убитроны), либо в поле волны накачки (скаттроны). Преимуществом этих приборов является возможность увеличения частоты генерации за счет доплеровского преобразования частоты колебаний электронов-осцилляторов, поступательно движущихся с близкой к световой скоростью в направлении, близком к направлению излучения, то есть генерация в режиме мазера (лазера) на свободных электронах (МСЭиЛСЭ) [8*-11*].
К наиболее актуальным проблемам, стоящим перед теорией электронных мазеров на современном этапе, прежде всего относится исследование пугей увеличения эффективности этих приборов: методов повышения электронного КПД, а также возможностей снижения потребляемой прибором мощности за счет использования рекуперации неизрасходованной в рабочем пространстве электронной энергии. Сюда же относится изучение эффектов пространственного заряда, важных в электронных мазерах вследствие большой плотности
используемых в этих приборах электронных пучков. Такие эффекты могут заметно влиять на эффективность энергообмена между пучком и ВЧ полем в рабочем пространстве электронного мазера, а также привести к ухудшению качества пучка в области его формирования.
Как правило, одним из основных требований к МСЭ, наряду с достижением высоких КПД к мощности излучения, явчяется получение стабильного одномодового излучения. В то же время, с увеличением энергии электронов растет и количество продольных мод, лежащих в частотной полосе эффективного взаимодействия с электронным пучком. В этой связи особенно важным является изучение динамики конкуренции продольных мод в процессе возбуждения МСЭ-генераторов, а также методов обеспечения одночастотного установившегося режима генерации. Развитие поперечных размеров электродинамических систем, необходимое для повышения мощности электронных мазеров, приводит также к обострению проблемы конкуренции мод, различных по поперечной структуре.
Целью диссертационной работы является теоретическое изучение путей повышения эффективности и мощности релятивистских электронных мазеров, а также исследование конкуренции мод и условий стабильной генерации в этих приборах. В рамках этой задачи в настоящей работе были проведены:
- анализ возможностей повышения эффективности мазеров на циклотронном резонансе за счет использования режима захвата и адиабатического торможения частиц, а также рекуперации энергии электронов;
изучение эффектов пространственного заряда и, в частности, неустойчивости отрицательной массы в потоках релятивистских электронов, осциллирующих в магнитном поле;
исследование конкуренции продольных и поперечных мод в низкодобротных ЛСЭ-генераторах, а также условий устойчивости одномодовой генерации;
изучение условий пространственно-временной стабильности выходного излучения в СВЧ-системе двухпучкового ускорителя.
Научная новизна.
1. Построены одночастичная и многочастичная теории — 4 —
режима захвата и адиабатического торможения частиц ВЧ-волной с произвольной фазовой скоростью в релятивистском МЦР. Исследовано влияние разброса частиц по начальным скоростям на эффективность МЦР в режиме захвата7
2. Предложен простой аналитический метод оценки
эффективности рекуперации электронной энергии в МЦР.
Изучены возможности увеличения КПД при осуществлении
рекуперации при отражении части электронов от коллектора.
3. Теория неустойчивости отрицательной массы в тонких
пучках релятивистских электронов-осцилляторов развита на
случаи скоростного и позиционного разбросов частиц, неодно
родного ведущего магнитного поля, а также неоднородных
начальных возмущений электронной плотности. Исследовано
ослабление неустойчивости вследствие влияния эффекта
"фазового перемешивания" электронных сгустков.
4. Изучены механизмы потери устойчивости одночас -
тотной генерации в низкодобротных ЛСЭ-генераторах, а также
динамика конкуренции продольных мод в процессе возбужде
ния генератора в случае, когда электронный ток не сильно
превышает пороговое значение перехода к многочастотной
генерации. Предложен простой метод анализа устойчивости
генерации одной продольной моды. Выяснено влияние частот
ной дисперсии обратной связи, а также разброса по начальным
энергиям частиц на установившийся режим генерации.
5. Проведено исследование нерезонансного возбуждения
поперечных паразитных мод на частоте рабочей моды, а также
их нелинейного подавления полем рабочей моды в
низкодобротных ЛСЭ-генераторах.
6. Для СВЧ-системы двухпучкового ускорителя
получены усредненные квазинепрерывные уравнения движения
электронов по дискретной периодической системе элементар
ных ячеек, каждая из которых состоит из СВЧ-генератора и
подускоряющей секции. Для систем изолированных (по ВЧ-
полю) ячеек показана возможность реализации особой разно
видности режима захвата частиц, когда электронный пучок
возбуждает в ячейках ВЧ-поле с необходимой для захвата струк
турой, и одновременно захватывается этим полем. Найдены
условия реализации "самозахвата" частиц в системах низко- и
высокодобротных ячеек.
— 5 —
Практическая ценность. Полученные в диссертационной работе результаты могут быть использованы при разработке высокоэффективных МЦР, ЛСЭ-генераторов с низкодобротными резонаторами, а также СВЧ-систем двухпучкового ускорителя. Кроме того, результаты работы могут использоваться при экспериментальных исследованиях качества электронных пучков в гиротронах и других разновидностях МЦР.
Использование результатов работы. Результаты проведенных в работе исследований использовались при конструировании мощного мазера на свободных электронах (Институт плазменной физики, Нидерланды), а также при выполнении работ по грантам R 85000, R 85300 и JDL 100 Международного научного фонда и 93-02-842 Российского фонда фундаментальных исследований.
Публикации и апробация результатов. Основные результаты диссертации опубликованы в работах [1-19], докладывались на 17-20 Международных конференциях по ИК и ММ волнам (Пасадена, США, 1992; Колчестер, Великобритания, 1993; Сендаи, Япония, 1994; Орландо, США, 1995), Международной рабочей встрече "Мощные микроволны в плазме" (Н.Новгород, 1993), 16-й Международной конференции по лазерам на свободных электронах (Стенфорд, США, 1994), Международной школе по стохастическим явлениям в радиофизике (Саратов, 1994), 2-м Азиатском симпозиуме по лазерам на свободных электронах (Новосибирск, 1995), на Международных рабочих встречах по МСЭ и ММ волнам (Ньювегейн, Нидерланды, 1992-1993).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Объем диссертации составляет 212 страниц, включая 141 страницу основного текста, размещенные на 57 страницах 72 рисунка, 2 таблиц и списка литературы, который состоит из 148 наименований. ,
