Введение к работе
Актуальность работы
В последнее время большое внимание уделяется разработке и созданию мощных СВЧ-генераторов с широким диапазоном частот излучения.
Плазменные релятивистские источники СВЧ-излучения во многом схожи с приборами вакуумной релятивистской СВЧ-электроники. Основным различием между ними является замедляющая структура, которая в первом случае представляет собой плазму, а во втором - металлический волновод с определенными свойствами. Параметры плазмы можно изменять в широких пределах, в то время как электродинамические свойства вакуумного волновода практически не могут быть изменены. По этой причине возможна широкая перестройка частоты СВЧ-излучения релятивистских плазменных СВЧ-генераторов.
Согласно теории и экспериментальным исследованиям [1, 2, 3], плазменный релятивистский СВЧ-генератор обладает возможностью перестройки частоты СВЧ-излучения в широком диапазоне. Регулировка частоты выходного сигнала происходит за счет изменения плотности плазмы. В ранних теоретических работах не указывался характер спектра выходного сигнала, однако в работе [4] экспериментально наблюдался дискретный спектр излучения плазменного СВЧ-генератора.
В плазменной СВЧ-электронике были успешные попытки создания генераторов с изменяющейся частотой от импульса к импульсу при частоте их повторения до 50 Гц [5, 6], однако возможность изменения частоты генерации в течение одного импульса напряжения в экспериментальных работах к настоящему моменту специально не изучался. Следует заметить, что само изменение частоты в течение импульса излучения микросекундной длительности экспериментально наблюдалось [4].
В СВЧ-электронике больших мощностей существует проблема укорочения СВЧ-импульса [7]. Суть проблемы заключается в том, что процесс СВЧ-излучения самопроизвольно прекращается, в то время как электронный пучок продолжает идти через электродинамическую систему.
В приборах вакуумной релятивистской СВЧ-электроники электронный пучок распространяется вблизи стенки электродинамической структуры, вследствие чего возникает нежелательный СВЧ-разряд [8], который срывает генерацию СВЧ-излучения. Отодвинуть электронный пучок далеко от стенки не удается: мешает сильное электростатическое поле пространственного заряда
электронов, создающее высокий потенциал. Для экранировки поля электронный пучок можно поместить в плазму.
В приборах плазменной СВЧ-электроники плазма экранирует заряд РЭП, что позволяет увеличить расстояние от траектории электронов до стенок волновода. Однако укорочение СВЧ-импульса существует и в плазменной релятиви-сткой СВЧ-электронике, в работе [9] указывается одна из его возможных причин — рост температуры плазмы. Для дальнейшего развития плазменных релятивистских СВЧ-генераторов важно найти способы увеличения длительности СВЧ-импульсов.
Таким образом, изучение механизмов управления частотами СВЧ-излучения и создание генератора, способного к излучению СВЧ-волны на протяжении всего времени импульса РЭП, является актуальной задачей на сегодняшнем этапе развития плазменной электроники.
Цели диссертационной работы
Целью диссертационной работы является создание плазменного релятивистского СВЧ-генератора с новыми возможностями и их экспериментальная демонстрация, а именно:
1) обнаружение и устранение причин эффекта укорочения СВЧ-импульсов, ге
нерация СВЧ-излучения в течение всего импульса тока электронного пучка;
2) обнаружение и устранение причин, препятствующих генерации СВЧ-
излучения в каждом из импульсов, следующих с частотой до 50 Гц;
3) определение механизмов и экспериментальная демонстрация возможности
перестройки частоты СВЧ-излучения в течение импульсов наносекундной дли
тельности.
Научная новизна
-
Впервые экспериментально созданы условия для генерации с частотой до 50 Гц СВЧ-импульсов с мощностью до 50 МВт и возможностью задания частоты излучения для каждого импульса.
-
Впервые экспериментально обнаружены причины укорочения импульса излучения плазменного релятивистского СВЧ-генератора и созданы условия для их устранения.
-
Впервые продемонстрирована возможность изменения — уменьшения или увеличения до 15 % — частоты излучения плазменного релятивистского СВЧ-генератора в течение импульса длительностью 70 не.
Защищаемые положения
-
Причиной эффекта укорочения СВЧ-импульсов является коллекторная плазма.
-
Причиной, препятствовавшей генерации СВЧ-излучения в каждом из импульсов, следующих с частотой до 50 Гц, является десорбция газа с поверхности коллектора.
-
Управление частотой (как непрерывное, так и дискретное) СВЧ-излучения в течение импульсов наносекундной длительности осуществляется за счет изменения концентрации плазмы в течение импульса напряжения тока.
Научная и практическая ценность результатов
Плазменный релятивистский генератор (ПРГ) СВЧ-излучения — это источник СВЧ-импульсов мультимегаваттного уровня мощности, который может существенно менять частоты излучения как от импульса к импульсу, так и в течение импульса. Этим ПРГ принципиально отличается от своих вакуумных аналогов. ПРГ может работать также в режиме генерации широкополосного излучения с граничными частотами диапазона, отличающимися в несколько раз [10]. В отличие от традиционных генераторов сверхширокополосных импульсов, ПРГ имеет значительно большую длительность и энергию СВЧ-импульса при равных параметрах модулятора — импедансе и зарядном напряжении.
Впервые созданный импульсно-периодический СВЧ-генератор обладает уникальной возможностью: на уровне мощности 50 МВт он позволяет в течение одного импульса увеличивать частоту излучения в пределах 15%. Такое излучение значительно перспективнее для компрессии импульса в пассивных линиях задержки, чем СВЧ-импульсы с уменьшающейся частотой [11], поскольку позволяет применять обычные волноводы с гладкими стенками и нормальной дисперсией.
Впервые экспериментально определены причины укорочения импульса излучения плазменного релятивистского СВЧ-генератора и созданы условия для устранения этих причин. В результате диссертационных исследований создан импульсный релятивистский СВЧ-генератор в диапазоне частот 2-5 ГГц, с импульсной мощностью 50 МВт и длительностью до 70 не в каждом из импульсов, следующих с частотой до 50 Гц. Таким образом, приблизительно на порядок увеличена средняя мощность излучения плазменного релятивистского СВЧ-генератора в импульсно-периодическом режиме.
Публикация и апробация результатов
По материалам диссертации опубликованы три статьи в научных журналах, рекомендованных ВАК.
Результаты исследований докладывались и опубликованы в материалах конференций, а именно:
38 Международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и УТС, г. Звенигород, 14-18 февраля 2011 г.; 39 Международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и УТС, г. Звенигород, 6-Ю февраля 2012 г.; 67 Всероссийская конференция с международным участие «Научная сессия, посвященная Дню радио», Российское научно-техническое общество радиотехники, электроники и связи им. А.С. Попова, г. Москва, 16-17 мая 2012 г.; 48 Всероссийская конференция по проблемам физики частиц, физики плазмы и конденсированных сред, оптоэлектроники, г. Москва, Российский университет дружбы народов, 15-18 мая 2012 г.; European Electromagnetics Symposium EUROEM 2012, Toulouse, France, 2-6 July 2012; International Conference-School on Plasma Physics and Controlled Fusion, Alushta (Crimea), Ukraine, 17-22 September, 2012 г.; 40 Международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и УТС, г. Звенигород, 11-15 февраля 2013 г.; 49 Всероссийская конференция о проблемам физики частиц, физики плазмы и конденсированных сред, оптоэлектроники, г. Москва, Российский университет дружбы народов, 14-17 мая 2013 г.
Структура и объем диссертации.
