На правах рукописи

Баранов Роман Владимирович

ПЛАЗМЕННЫЙ РЕЛЯТИВИСТСКИЙ СВЧ-ГЕНЕРАТОР

С УПРАВЛЯЕМЫМ В ТЕЧЕНИЕ ИМПУЛЬСА

СПЕКТРОМ ИЗЛУЧЕНИЯ

01.04.08 – Физика плазмы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва – 2013

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук доктор физико-математических наук,

Научный руководитель:

доцент Лоза Олег Тимофеевич (ИОФ РАН, РУДН) доктор физико-математических наук,

Официальные оппоненты:

профессор Кузелев Михаил Викторович (физический ф-т МГУ им. М.В. Ломоносова) кандидат физико-математических наук Крастелев Евгений Григорьевич (ОИВТ РАН) Федеральное государственное бюджетное

Ведущая организация:

учреждение науки Институт электрофизики Уральского отделения РАН

Защита диссертации состоится «07» октября 2013 г. в 15 час 00 мин на заседании диссертационного совета Д002.063.03 при ИОФ РАН по адресу: г. Москва 119991, ул. Вавилова, 38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИОФ РАН.

Автореферат разослан «» сентября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, Т.Б. Воляк кандидат физико-математических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 СВЧгенератора.

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 СВЧизлучения 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 релятивисткой 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 СВЧимпульсов.

Таким образом, изучение механизмов управления частотами СВЧизлучения 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, генерация СВЧ-излучения в течение всего импульса тока электронного пучка;

2) обнаружение и устранение причин, препятствующих генерации СВЧизлучения 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 длительности.

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 нс.

Защищаемые положения 1. Причиной эффекта укорочения СВЧ-импульсов является коллекторная 2. Причиной, препятствовавшей генерации СВЧ-излучения в каждом из импульсов, следующих с частотой до 50 Гц, является десорбция газа с поверхности коллектора.

3. 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 бльшую 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 нс в каждом из импульсов, следующих с частотой до 50 Гц. Таким образом, приблизительно на порядок увеличена средняя мощность излучения плазменного релятивистского СВЧгенератора 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, 6-10 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.

Диссертация состоит из Введения, трех глав и Заключения. Полный объем диссертации составляет 105 страниц, включая 50 рисунков и список литературы из 87 наименований.

Краткое содержание диссертации Глава 1 посвящена обзору работ, опубликованных по теме выполняемых исследований. В данной главе рассматривается процесс черенковского взаимодействия релятивистского электронного пучка (РЭП) с предварительно созданной плазмой с целью создания генераторов СВЧ-излучения, в которых реализуется возможность управления частотой. В решении данной проблемы есть три пути. Первый из них это изменение геометрии системы, например размеров резонатора. Плавная перестройка частоты излучения достигается механическим изменением геометрии резонаторов, но не превышает 15% [12, 13]. Данный способ плохо применим в импульсно-периодическом режиме работы ускорителя, когда интервал между импульсами имеет порядок десятка миллисекунд, поскольку изменение геометрии требует значительно большего времени. Для изменения частоты в течение импульса наносекундной длительности способ не применим. Существуют гибридные источники СВЧ-излучения, представляющие собой вакуумный СВЧ-генератор, в который добавлена плазма для коррекции некоторых свойств. Однако спектр излучения в этих приборах также определяется, главным образом, геометрией резонаторов [14].

Второй путь — это изменение параметров инжектируемого электронного пучка. Основным способом изменения частоты для вакуумных приборов является электронная подстройка. Ток и напряжение инжектируемого пучка существенно зависят от геометрии анод-катодного промежутка. Как установили авторы в работе [11], создание плазмы в диоде, быстро меняющей его импеданс, оказывает существенное влияние на величину и темп изменения ускоряющего напряжения. Авторам [11] удалось плавно уменьшать частоту генерации черенковской ЛОВ в течение наносекундного импульса за счет снижения ускоряющего напряжения с 10 до 9,5 ГГц. Для релятивистских СВЧ-приборов этот путь не слишком пригоден, т.к. скорость электронов, близкая к скорости света, почти не меняется, но при умеренном релятивизме этот способ нашел применение.

Эти методы изменения частоты генерации вакуумных СВЧ-приборов обсуждаются в §1 Главы 1.

В §2 рассматривается третий способ управления частотой излучения. Суть его заключается в изменении еще одного компонента системы, способного существенно изменяться в ходе процесса СВЧ-генерации, — плазмы. В работе [15] авторы проводили расчеты, прибегая к численному моделированию; было показано, что изменение концентрации плазмы вызывает дискретное изменение частоты излучения при смене продольной моды колебаний плазменно-пучкового резонатора и дополняется небольшим непрерывным изменением частоты излучения в пределах одной моды. В данном параграфе рассматриваются теоретические предпосылки как дискретного, так и непрерывного изменения частоты излучения.

В §3 обсуждаются физические процессы, приводящие к изменению плотности плазмы и, как следствие, изменению частоты СВЧ-излучения плазменного СВЧ-генератора. В мощных СВЧ-генераторах плазма создается с помощью ионизации газа специальным электронным пучком. СВЧ-поле вызывает дополнительное движение электронов плазмы, что при неполной начальной ионизации газа вызывает его дополнительную ионизацию.

Наряду с механизмом увеличения концентрации плазмы существует и обратный процесс. При инжекции релятивистского электронного пучка в плазму он своим электростатическим полем «выдавливает» электроны из плазменного канала, что приводит к снижению концентрации плазмы на протяжении первых десятков наносекунд от момента инжекции РЭП. Данное обстоятельство было подтверждено на численной модели [16], выполненной с помощью электромагнитного кода «КАРАТ» [17].

Исходя из рассмотрения, проведенного автором исследования в Главе диссертации, оцениваются перспективы настоящего диссертационного исследования.

Глава 2 посвящена технике эксперимента.

В первом параграфе описана работа сильноточного электронного ускорителя «Синус 550-80», который использовался для создания релятивистских электронных пучков. Рассматриваются особенности работы плазменного релятивистского СВЧ-генератора с импульсной мощностью 50 МВт.

При напряжении на формирующей линии ускорителя «Синус 550-80»

1000 кВ и импедансе передающей линии 40 Ом в согласованном диоде создается ток 12 кА. Для эксперимента ток РЭП в плазменном релятивистском СВЧгенераторе должен быть равен 2 кА. Для согласования импеданса ускорителя 40 Ом с импедансом рабочего диода 250 Ом применялся двойной диод.

Для увеличения области квазипостоянного магнитного поля был произведен расчет электрической схемы последовательно-параллельного соединения галет соленоида. В результате усовершенствования конструкции соленоида область приблизительно постоянного значения магнитной индукции поля была увеличена с 20 см до 35 см.

§2 посвящен рассмотрению принципиальной схемы плазменного релятивистского СВЧ-генератора, который условно можно разделить на несколько основных узлов: диод, плазменный источник, область плазменно-пучкового взаимодействия, выходное устройство. Рассматриваются основные физические процессы, происходящие в данных узлах СВЧ-генератора. Уделяется достаточное внимание вопросу управления частотой излучения СВЧ-генератора за счет изменения времени задержки инжекции релятивистского электронного пучка относительно начала создания плазмы специальным источником.

Вопросы диагностики электронного пучка, плазмы, а также юстировки электронного пучка и плазмы рассмотрены в §3.

Для абсолютных измерений плотности плазмы в ПРГ применялся резонаторный СВЧ-метод, а также использовался зонд Ленгмюра в виде струны, радиально пересекающей плазму.

Для определения величины напряжения на катоде ускорителя релятивистских электронов использовались емкостные делители, коэффициент деления напряжения для ускорителя «Синус 550-80» равен 2212. Измерения полного электронного тока с катода осуществлялось с помощью пояса Роговского, для ускорителя «Синус 550-80» коэффициент деления пояса 71 А/В.

Для юстировки пучков, а также определения формы сечений РЭП и плазмы применялся метод «автографа» на мишени. В качестве мишени использовалась термобумага, на которой поочередно получались отпечатки плазмы (точнее, электронного пучка, создающего плазму) и РЭП. Такое последовательное получение автографов пучков объясняется тем фактом, что при их одновременном распространении происходит взаимодействие плазмы и РЭП, и границы размываются. По этим данным определялись радиусы и толщины пучков, а также их взаимное расположение. Таким образом, юстировка пучков осуществляется по их отпечаткам на одной мишени.

Средства диагностики СВЧ-излучения описываются в §4. Плазменный релятивистский СВЧ-генератор является широкополосным прибором мультимегаваттной мощности, поэтому и средства диагностики излучения должны быть способны регистрировать характеристики полного спектра излучения генератора.

Для измерения мощности СВЧ-импульсов применяют так называемые детекторы на "горячих" носителях [18, 19]. Основной частью детектора является кристалл полупроводника; в детекторах, используемых в работе, применялся кристалл р-германия в волноводе прямоугольного сечения 2310 мм. С помощью СВЧ-детекторов на горячих носителях можно следить за относительным изменением мощности излучения во времени.

Для определения абсолютных значений мощности с течением времени P(t) измерялась полная энергия СВЧ-импульса. Для измерения полной энергии СВЧимпульса, эмитированного из рупора с диаметром несколько десятков сантиметров, применялся широкоапертурный калориметр [20]. Калориметр представляет собой жесткий цилиндрический контейнер, перекрывающий всю апертуру выходного рупора СВЧ-генератора и изготовленный из плексигласа, прозрачного для СВЧ-излучения. Контейнер заполнен спиртосодержащей жидкостью, хорошо поглощающей СВЧ-излучение, и соединяется с тонкой трубкой (капилляром). В результате нагрева СВЧ-импульсом жидкость расширяется, и специальный электронный блок регистрирует перемещение края жидкости в капилляре.

Прибор способен регистрировать энергию СВЧ-импульсов с точностью до 0.1 Дж.

Для измерения частоты излучения применялись разные способы. Для грубой оценки частоты излучения использовались фильтры нижних частот на основе "запредельных" волноводов.

Развитие электронной техники в последнее время привело к тому, что одиночные наносекундные СВЧ-импульсы с частотами до ~20 ГГц могут быть зарегистрированы непосредственно осциллографом. В нашем распоряжении имелся осциллограф Tektronix TDS-7404 с полосой пропускания до 4 ГГц, который позволил работать со специально созданным СВЧ-генератором, рассчитанным на эту низкочастотную часть спектра. Спектр «высокочастотного» СВЧгенератора, рассчитанного на диапазон от 5 до 20 ГГц, был зарегистрирован рекламным образцом осциллографа LeCroy SDA 820 Zi с частотой до 20 ГГц (который был доступен для работы в течение нескольких часов).

Для регистрации СВЧ-излучения применялся несимметричный вибратор (штыревая антенна длиной 32 мм), сигнал с которого подавался на высокоскоростной осциллограф.

Размер антенны был установлен экспериментально. С этой целью измерительной линией Р1-22 были определены коэффициенты стоячей волны по напряжению (КСВН) для нескольких разновидностей штыревой дипольной антенны.

В §5 обсуждается программный аппарат для обработки временных рядов.

Сравниваются основные способы получения частотно-временной характеристики сигнала: вейвлет-анализ, преобразование Фурье (полное и дискретное).

В результате исследования численных методов было установлено, что оптимальным является применение алгоритма быстрого преобразования Фурье с оконной функцией Хемминга.

При частоте дискретизации 250 ГГц и количестве точек в оконной функции 2 = 4096 быстрое преобразование Фурье осуществляется с шагом частотной сетки равным 61 МГц.

При исследовании временного сигнала движущейся оконной функцией в быстром преобразовании Фурье создается иллюзия скачков частоты на 75 МГц (см. Рис. 1.).

Рис. 1. Рост частоты численно созданного сигнала sin [2(f0 +t/2)t], обработанного по алгоритму быстрого преобразования Фурье с оконной функцией Хемминга.

В Главе 3 рассматриваются различные вопросы функционирования плазменного релятивистского СВЧ-генератора и новые результаты, полученные автором диссертации в ходе исследований.

В §1 изучаются причины укорочения отдельных импульсов СВЧизлучения и его проявления в работе генератора. В эксперименте [5] обнаружилось, что в плазменный релятивистский СВЧ-генератор (ПРГ) не может полностью эффективно использовать возможности ускорителя. Длительность СВЧимпульсов 30–40 нс была вдвое меньше длительности импульсов тока РЭП, которую мог обеспечить ускоритель. Задачей первого этапа исследования стали работы по устранению эффекта укорочения СВЧ-импульса и, тем самым, увеличению средней мощности СВЧ-излучения.

Одной из известных причин укорочения СВЧ-импульса является коллекторная плазма. Коллекторная плазма движется со скоростью 107–108 см/с по направлению к катоду, поэтому конструкция коллекторного узла сильно влияет на процесс СВЧ-излучения [21]. Плотность коллекторной плазмы ~1012 см-3 обуславливает поглощение СВЧ-волн с частотой, равной ленгмюровской частоте плазмы ~10 ГГц. Плотность коллекторной плазмы неоднородна по длине, она спадает по мере удаления от коллектора, поэтому для волны с любой частотой находится область коллекторной плазмы, в которой ленгмюровская частота совпадает с частотой волны, и имеется эффективное поглощение. Уменьшение амплитуды отраженной волны ниже определенного уровня нарушает обратную связь в генераторе, и излучение прекращается.

Применение полого коллектора, когда коллекторная плазма создается далеко от генераторной секции, позволило устранить влияние коллекторной плазмы на процессы взаимодействия между РЭП и плазмой. При такой геометрии коллекторная плазма не успевает дойти до пространства взаимодействия пучка и плазмы в течение импульса. Возможно, коллекторная плазма была не единственной причиной укорочения СВЧ-импульса, но применение полого коллектора позволило увеличить длительность импульса до длительности тока РЭП. В течение всего этого времени, равного 70 нс, происходит СВЧ-излучение, как показано на осциллограммах Рис. 2 [А1]. Причины различий формы осциллограмм СВЧ-мощности обсуждаются ниже.

Рис. 2. Осциллограммы импульсов: 1 — напряжение на катоде;

Вторым этапом работы стало изучение и устранение причин, не позволяющих получать СВЧ-излучение в каждом импульсе ускорителя в импульснопериодическом режиме с частотой до 50 Гц, этому вопросу посвящен §2. Причиной того, что ПРГ не мог генерировать СВЧ-излучение в каждом из 50 импульсов пачки с длительностью 1 с, также были процессы на коллекторе.

В течение импульса тока РЭП I = 2103 А с длительностью T ~ 10-7 c на коллектор оседает IT/e ~ 1015 электронов и десорбируется gbIT/e > 1016 молекул газа. Здесь для оценки использовано значение коэффициента десорбции gb для электронов с энергией 70 кэВ [22] и учтен рост коэффициента десорбции с увеличением энергии электронов. Начальное давление газа 10-3 Тор соответствует концентрации молекул 3.61013 см-3, поэтому изменение давления газа после импульса РЭП было весьма заметным. В течение интервала времени 20 мс между импульсами десорбированный с коллектора газ не успевал откачиваться.

Давление постепенно возрастало, нарушались условия создания плазмы с необходимыми параметрами, и СВЧ-генерация становилась невозможной.

Литерой А обозначены работы автора.

Для устранения негативного влияния газа, образовывающегося на коллекторе, была осуществлена откачка газа турбомолекулярным насосом. Конструкция ПРГ, позволившая устранить укорочение СВЧ-импульсов и обеспечившая СВЧ-генерацию во всех импульсах ускорителя, показана на Рис. 3.

Рис. 3. Схема импульсно-периодического плазменного релятивистского СВЧ-генератора. Основные блоки: диод (I), плазменный источник (II), область взаимодействия (III), выходное устройство(IV), турбомолекулярный насос (V).

1 – катод РЭП; 2 – вакуумная труба; 3 – трубчатый РЭП; 4 – анод; 5 – трубчатая плазма; 6 – кольцевой термокатод; 7 – диафрагма; 8 – соленоид; 9 – коллектор;

10 – рупор; 11 – окно; 12 – питание соленоида; 13 – блок управления плазменным источником; 14 – датчик давления.

Конструкция не является аксиально-симметричной. Центральный электрод коллектора по мере приближения к рупору плавно смещается от оси к стенке волновода. Такая форма коллектора позволяет преобразовать медленную волну плазменного волновода в ТЕМ-моду коаксиального волновода, а затем в моду Н11 полого волновода. Осциллограммы мощности СВЧ-излучения в пачке импульсов при импульсно-периодическом режиме работы СВЧ-генератора приведены на Рис. 4.

Таким образом, применение полого коллектора с дополнительной вакуумной откачкой позволило существенно увеличить среднюю мощность СВЧизлучения [А1]. Во-первых, длительность СВЧ-излучения в каждом импульсе была увеличена до 70 нс, т.е. до длительности прохождения РЭП. Во-вторых, число СВЧ-импульсов в пачке, следующих с частотой 50 Гц, было увеличено до максимального, равного числу импульсов тока. Напомним, что частота СВЧизлучения ПРГ может быть установлена независимо в каждом импульсе в широком диапазоне, например от 5 до 20 ГГц.

Рис. 4. Пачка СВЧ-импульсов, следующих с частотой 50 Гц.

В §3 представлены результаты экспериментального изучения возможностей генерации СВЧ-излучения с изменяемой в течение импульса частотой. Для регистрации излучения с разными частотами использовались комбинации СВЧдетекторов и различных фильтров на основе запредельных волноводов. В одной комбинации первый детектор принимал все волны в волноводе 2310 мм, т.е.

все частоты выше 6.5 ГГц, во втором детекторе размещался запредельный волновод с частотой отсечки 9.4 ГГц, в третьем — аналогичный фильтр частот выше 12 ГГц. В другой комбинации детекторов частоты отсечки равнялись соответственно 6.5, 7.9 и 9.4 ГГц. Таким образом, сопоставление сигналов с детекторов позволяло оценить изменение спектра СВЧ-излучения во времени.

Измерения проводились при различных давлениях воздуха в области плазменнопучкового взаимодействия: от 410-4 до 410-3 Тор.

С ростом концентрации плазмы частота СВЧ-излучения увеличивается, механизм процесса обсуждался выше. Подбирая начальную концентрацию плазмы с помощью соответствующей синхронизации начала создания плазмы и инжекции РЭП, при разных значениях давления газа можно было получать СВЧизлучение с приблизительно одинаковыми начальными частотами, не выходящими за пределы одного измерительного диапазона.

На Рис. 5 проиллюстрировано постепенное увеличение частоты излучения по меньшей мере на 1.5 ГГц при давлении 110-3 Тор. Важно отметить, что частоты выше 9.4 ГГц появляются до заднего фронта импульса напряжения. Как известно из многочисленных исследований, с падением энергии электронов и тока пучка частота меняется неизбежно. При меньшем давлении газа, равном 410-4 Тор, и обеспечении прежней начальной концентрации плазмы начальная степень ионизации газа была выше, поэтому и возможностей ее дальнейшей ионизации было меньше. В этом случае наблюдалось увеличение частоты только в пределах двух соседних диапазонов, т.е. менее чем на 1.4 ГГц [A2].

Рис. 5. Осциллограммы сигналов (при давлении 1 мТор): 1 — напряжение в диоде; 2, 3, 4 — мощность СВЧ-излучения с частотой выше: 2 — 6.5 ГГц, 3 — 7.9 ГГц, 4 — 9.4 ГГц. Постепенное увеличение частоты излучения иллюстрируется последовательным появлением сигнала в диапазонах частот между 6.5 ГГц и 7.9 ГГц; между Результаты этого этапа исследования показали, что для работы ПРГ с многократной перестройкой частоты излучения от импульса к импульсу, следующих с частотой ~100 Гц, необходимо иметь возможность изменения концентрации плазмы в широком диапазоне. Такая возможность появляется при достаточно высоком давлении газа, который ионизируется до нужной степени перед очередным импульсом РЭП. Полученные в настоящей диссертационной работе результаты показывают, что в подобных условиях частота СВЧ-излучения изменяется в течение импульса, причем это особенно заметно на низких частотах, когда степень начальной ионизации газа мала.

Для дальнейшего исследования режимов работы генератора и более точных измерений динамики частоты излучения были проведены эксперименты по регистрации спектра излучения генераторов СВЧ-импульсов. Результаты экспериментов, проведенных автором диссертационного исследования, представлены в §4.

Результаты экспериментальных исследований ПРГ с различными начальными значениями концентраций газа и плазмы подтверждают возможность изменения частоты излучения в течение импульса. В экспериментах, результаты которых представлены ниже, частоты излучения в начале импульсов выбраны различными. Это сделано, чтобы подчеркнуть возможность перестройки частоты как от импульса к импульсу, так и в течение импульса излучения ПРГ. Результаты, аналогичные показанным здесь, были получены для любых частот в рабочем диапазоне ПРГ. Во всех проиллюстрированных режимах работы ПРГ мощность излучения, согласно калориметрическим измерениям, достигала 50 МВт.

Несколько экспериментов по изучению СВЧ-генератора с рабочей полосой частот от 5 до 20 ГГц удалось провести с помощью осциллографа Lecroy SDA 820Zi, который был доступен в течение очень ограниченного времени. Для изучения физики процессов с помощью имеющегося осциллографа был специально создан ПРГ с диапазоном изменения частот от 2 до 7 ГГц. Для снижения частот СВЧ-генерации ПРГ претерпел существенные изменения: длина плазменнопучкового взаимодействия (III на Рис. 3) увеличена от 220 мм до 290 мм; диаметры плазмы и РЭП увеличены от 20 мм до 35 мм и от 12 мм до 30 мм, соответственно.

На Рис. 6 показан пример спектра излучения ПРГ с увеличивающейся частотой в течение импульса.

Рис. 6. Изменение частоты (увеличение на 15 % в течение 80 нс) излучения со временем: увеличение частоты от 10.5 ГГц до 12 ГГц (цветом проградуирована интенсивность в отн. ед.).

Была продемонстрирована работа СВЧ-генератора в режиме непрерывного роста частоты, показанного на Рис. 7. Как указывалось ранее, кажущаяся дискретность изменения частоты здесь объясняется способом обработки сигнала (см.

Рис.1).

На Рис. 8 представлен пример спектра излучения ПРГ с неизменной частотой. Как уже отмечалось, это наблюдается при почти полной начальной ионизации газа. Получить спектры излучения с постоянной частотой, когда процессы увеличения и уменьшения концентрации плазмы точно компенсируют друг друга, было наиболее трудной экспериментальной задачей.

Рис. 8. Генерация излучения с постоянной частотой при компенсации процессов увеличения и уменьшения концентрации плазмы.

Было достигнуто сравнительно медленное уменьшение частоты на величину до 100 МГц, что иллюстрируется Рис. 9.

Таким образом, начальная концентрация плазмы определяет начальную частоту излучения ПРГ, а от степени начальной ионизации газа зависит динамика дальнейшего изменения частоты. При полной начальной ионизации частота излучения уменьшается со временем в течение импульса, при наличии небольшого количества нейтральных атомов частота может оставаться постоянной, а при их значительном количестве, т.е. сравнительно высоком давлении газа, частота излучения растет.

Рис. 9. Уменьшение частоты излучения на 100 МГц.

Проведенная работа показала [А3], что увеличение концентрации плазмы и частоты в течение импульса достигается более уверенно, чем уменьшение, и величина изменения частоты в сторону увеличения может быть большей, чем при ее снижении. Объясняется это различием механизмов увеличения и уменьшения частоты, упомянутых ранее: первый из них регулируется давлением нейтрального газа, а второй не имеет столь же удобных способов управления.

Таким образом, импульсно-периодический ПРГ не может генерировать СВЧ-излучение, частота которого имеет возможность существенно изменяться от импульса к импульсу, но остается постоянной в течение одного импульса.

Действительно, изменение частоты излучения от импульса к импульсу возможно лишь при достаточно высоком давлении, т.е. при избытке нейтральных молекул, способных при ионизации существенно изменить концентрацию плазмы. Постоянная частота генерации означает то обстоятельство, что РЭП инжектировался в почти полностью ионизированную среду, а значит, нет возможности дальнейшего роста частоты в течение импульса. В таком случае возможно только незначительное уменьшение частоты за счет уменьшения концентрации электронов плазмы из-за их вытеснения электронами РЭП. В таком случае для увеличения частоты излучения необходимо увеличить давление газа и, тем самым, иметь возможность к дальнейшей ионизации в СВЧ-поле.

В заключении сформулированы основные результаты работы по изучению работы плазменного релятивистского СВЧ-генератора.

В ходе выполнения данной работы были получены следующие результаты:

[А1] Экспериментально преодолены причины ограничения продолжительности СВЧ-излучения плазменного релятивистского СВЧ-генератора.

Продемонстрировано СВЧ-излучение, которое не прерывается до окончания тока электронного пучка с длительностью 80 нс.

[А1] Создан новый коллекторный узел, позволивший на порядок увеличить среднюю мощность излучения плазменного релятивистского СВЧгенератора при генерации СВЧ-импульсов с частотой до 50 Гц. Число СВЧимпульсов в пачке увеличено до максимального и равного числу импульсов тока.

[А2, А3] Изучены и впервые продемонстрированы способы управления частотой СВЧ-излучения плазменного релятивистского СВЧ-генератора в течение длительности импульса. Показаны возможности уменьшения частоты, генерации СВЧ-излучения с постоянной частотой и увеличения частоты, непрерывного и дискретного.

Опубликованные материалы диссертации А1 Лоза О.Т., Ульянов Д.К., Стрелков П.С., Иванов И.Е., Баранов Р.В. «Увеличение средней мощности излучения плазменного релятивистского СВЧ-генератора» // Краткие сообщения по физике ФИАН, №4, 2011, с. 47-50.

А2 Лоза О.Т., Ульянов Д.К., Баранов Р.В. Изменение частоты излучения плазменного релятивистского сверхвысокочастотного генератора в течение импульса наносекундной длительности // ЖТФ, 2011, т. 81, вып. 3, с.98-102.

А3 Ульянов Д.К., Баранов Р.В., Лоза О.Т., Ернылева С.Е., Богданкевич И.Л. Управление частотой излучения плазменного релятивистского СВЧ генератора в течение импульса наносекундной длительности // ЖТФ, 2013, т. 83, вып. 10, с. 113-116.

http://journals.ioffe.ru/jtf/2013/10/p113-116.pdf А4 Ульянов Д.К., Лоза О.Т., Баранов Р.В. «Импульсно-периодический режим работы плазменного релятивистского СВЧ-генератора»// Тезисы докладов 38 Международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы и УТС, 2011 г, с. 308.

А5 Баранов Р.В., Лоза О.Т., Ульянов Д.К. «Изменение частоты излучения плазменного релятивистского СВЧ-генератора в течение импульса наносекундной длительности»// Тезисы докладов 38 Международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы и УТС, 2011 г., с.336.

А6 Баранов Р.В., Лоза О.Т., Ульянов Д.К. «Динамика спектра СВЧ-излучения субгигаваттной мощности в течение импульса наносекундной длительности»// Тезисы докладов 39 Международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы и УТС, 2012 г, с. 217.

А7 Баранов Р.В. «Динамика спектра СВЧ-излучения субгигаваттной мощности в течение импульса наносекундной длительности»//Сборник докладов 67-й Всероссийской конференции с международным участием «Научная сессия, посвященная Дню радио», Москва, 2012 г, с. 360-363.

А8 Баранов Р. В. «Динамика спектра СВЧ-излучения субгигаваттной мощности в течение импульса наносекундной длительности» //Тезисы докладов 48 Всероссийской конференции по проблемам физики частиц, физики плазмы и конденсированных сред, оптоэлектроники. Москва, 2012 г., с. 330-334.

А9 O. Loza, D. Ulyanov, I. Bogdankevich, R. Baranov, S. Ernyleva. «High-power microwave frequency control in the course of nanosecond pulse» // European Electromagnetics Symposium EUROEM 2012, Toulouse, France, p. 34.

А10 O. Loza, S. Ernyleva, I. Bogdankevich, D. Ulyanov, R. Baranov. «Overcoming highpower microwave pulse shortening in plasma relativistic microwave oscillator» // European Electromagnetics Symposium EUROEM 2012, 2-6 July 2012, Toulouse, France, А11 D.K. Ulyanov, O.T. Loza, R.V. Baranov «Spectrum control in the course of microwave nanosecond pulse in subgigawatt power level plasma relativistic microwave oscillator» // International conference-school on plasma physics and controlled fusion, 2012 г. Alushta (Crimea), Ukraine, p. 129.

А12 Ульянов Д.К., Лоза О.Т., Баранов Р.В., Андреев С.Е. «Управление спектром плазменного СВЧ-генератора в частотно-периодическом режиме» // Тезисы докладов 40 Международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы и УТС, 2013 г, с. 224.

А13 Баранов Р. В. «Эволюция спектра СВЧ-излучения плазменного релятивистского СВЧ-генератора в течение импульса наносекундной длительности» //Тезисы докладов 49 Всероссийской конференции по проблемам физики частиц, физики плазмы и конденсированных сред, оптоэлектроники. Москва, Российский университет дружбы народов, 2013 г., с. 169-174.

Список литературы 1 Кузелев М.В., Рухадзе А.А., Стрелков П.С., Шкварунец А.Г. «Релятивистская сильноточная плазменная СВЧ-электроника: преимущество, достижения, перспективы» // Физика плазмы, 1987, т.13, №11, с.1370-1382.

2 Кузелев М. В., Рухадзе А. А., Стрелков П. С. «Плазменная релятивистская СВЧэлектроника» // Под ред. А.А. Рухадзе. Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, М.:— 3 Кузелев М.В., Лоза О.Т., Рухадзе А.А., Стрелков П.С., Шкварунец А.Г. «Плазменная релятивистская СВЧ-электроника» // Физика плазмы, 2001, т.27, №8, с.710-733.

4 Богданкевич И. Л., Иванов И. Е., Лоза О. Т., Рухадзе А.А., Стрелков П.С., Тараканов В.П., Ульянов Д.К. «Тонкая структура спектров излучения плазменного релятивистского СВЧ-генератора» // Физика плазмы, 2002, т. 28, №8, с. 748-757.

5 Богданкевич И.Л., Гришин Д.М., Гунин А.В., Иванов И.Е., Коровин С.Д., Лоза О.Т., Г.А. Месяц, Павлов Д.А., Ростов В.В., Стрелков П.С., Ульянов Д.К. «Импульснопериодический плазменный релятивистский СВЧ-генератор с управляемой в каждом импульсе частотой излучения»// Физика плазмы, 2008, т.34,№10, с. 926-930.

6 O.T. Loza, I.L. Bogdankevich, D.M. Grishin, A.V. Gunin, I.E. Ivanov, S.D. Korovin, G.A. Mesyats, D.A. Pavlov, V.V. Rostov, P.S. Strelkov, D.K. Ulianov. «RepetitivelyRated Plasma Relativistic Microwave Oscillator with Tunable Radiation Frequency in Every Pulse» // Proc. European Electromagnetics Symposium EUROEM 2008, 21- July 2008, Lausanne, Switzerland, p.26.

7 J. Benford, and G. Benford Survey of Pulse Shortening in High-Power Microwave Sources // IEEE Trans. on Plasma Sci. Vol.25, No 2, April 1997, pp. 311 —317.

8 Лоза О. Т. "О механизме укорочения сверхвысокочастотного импульса в генераторах с сильноточным релятивистским электронным пучком"// РиЭ, 2009, т.54, № 7, с.

9 Bogdankevich I.L., Rukhadze A.A., Strelkov P.S., Tarakanov V.P. «Using PIC-plasma model in the numerical simulation of a relativistic Cherenkov plasma maser» // Problems of Atomic Science and Technology. 2003..N.1. Series: Plasma Physics (9). P.

102-104 // Укр. журн. "Вопросы атомной науки и техники."

10 O.T. Loza, A.G. Shkvarunets, P.S. Strelkov. Experimental Plasma Relativistic Microwave Electronics. IEEE Trans. on plasma science, Special Issue on high power microwave generation, June 1998, Vol 26, # 3, pp. 615-627.

11 Братман В.Л., Денисов Г.Г., Колганов Н.Г., Мишакин С.В., Самсонов С.В., Соболев Д.И. «Микроволновый источник мультигигаваттной пиковой мощности на основе комбинации релятивистской лампы обратной волны и компрессора» // ЖТФ, 2011, т. 81, вып. 2, с.113- 12 Кицанов С.А., Климов А.И., Коровин С.Д., Куркан И.К., Пегель И.В., Полевин С.Д.

«Резонансная релятивистская ЛОВ дециметрового диапазона с импульсной мощностью 5 GW» // Письма в ЖТФ, 2003, том 29, вып. 6, с. 87-94.

13 Климов А.И., Куркан И.К., Полевин С.Д., ростов В.В., Тотьменинов Е.М. «Импульсно-периодическая релятивистская лампа обратной волны с расширенной механической перестройкой частоты генерации» // Письма в ЖТФ, 2007, т. 33, вып. 24, с.53-60.

14 D.M. Goebel, Yu. Carmel and G.S. Nusinovich. «Advances in plasma-filled microwave sources» // Physics of plasmas, Vol. 6, N.5, May 1999, pp. 2225- 2232.

15 Богданкевич И.Л., Лоза О.Т., Павлов Д.А. «Управление спектром излучения плазменных релятивистских СВЧ-генераторов» // Физика плазмы, 2009, т. 35, № 3, с.

211-218.

16 Богданкевич И. Л., Лоза О. Т., Павлов Д. А. «Укорочение импульса излучения плазменного релятивистского СВЧ-генератора в численных расчетах с моделированием плазмы по методу крупных частиц» // Краткие сообщения по физике ФИАН, 2010, в. 2, с.16-30.

17 Tarakanov V.P. «User’s Manual for Code KARAT»// Springfield, VA: Berkley Research Associates, Inc.1992, 137 p.

18 Райзер М.Д., Цопп Л.Э. «Детектирование мощности СВЧ-излучения наносекундной длительности» // Радиотехника и электроника, 1975, т. 20, № 8, с. 1691 – 1693.

19 Иванов И.Е., Стрелков П.С., Шумейко Д.В. «Коаксиальный широкополосный детектор мощных наносекундных С.В.Ч.-импульсов на эффекте горячих электронов» // Приборы и техника эксперимента, 2010, № 5, с. 84 – 92.

20 Шкварунец А. Г. «Широкополосный СВЧ-калориметр большой площади» // Приборы и техника эксперимента, 1996, № 4, с. 72.

21 Абубакиров Э.Б., Белоусов В.И., Зайцев Н.И. «О влиянии коллекторной плазмы на работу релятивистской ЛОВ» // Тезисы докладов 6 Всесоюзного симпозиума по сильноточной электронике. Томск: ИСЭ СО АН СССР, 1986, т. 1, с. 176-178.

22 Clausing R.E. Release of gas from surfaces by energetic electrons // J. Vac. Sci. Technol., 1964, vol. 1, No. 2, p. 82.