книги / Релятивистские многоволновые СВЧ-генераторы

ВВЕДЕНИЕ

К основным проблемам, решаемым сегодня сильноточной реля­ тивистской электроникой, можно отнести генерацию мощного коге­ рентного излучения. В последнее десятилетие в научных исследо­ ваниях в этой области достигнуты серьезные успехи, о которых свидетельствует получение гигаваттных уровней мощности в им­ пульсах микроволнового (СВЧ) излучения, а также продвижение соответствующих приборов в световой диапазон длин волн.

Одним из факторов, всегда определявших прогресс в сильноточ­ ной релятивистской высокочастотной электронике, являлось созда­ ние электронных потоков с необходимыми параметрами. Само ее зарождение следует связать с появившейся в конце 60-х годов воз­ можностью генерировать релятивистские электронные пучки с не­ достижимыми до той поры токами (100 кА) и энергией частиц (до 10 МэВ). Это открыло перспективы созданию мощных реляти­ вистских приборов с различными диапазонами частот, в том числе уже освоенных традиционной СВЧ-электроникой.

В 70-е годы достаточно широко развернулись работы, направ­ ленные на освоение сильноточной электроникой новых областей спектра электромагнитных колебаний — от миллиметровых длин волн до рентгеновского диапазона. Эти усилия связаны в основном с изучением различных вариантов лазеров на свободных электронах (ЛСЭ). Подавляющее большинство упомянутых экспериментов проведено на ускорителях, разработанных для нужд ядерной физи­ ки, пучки которых имеют высокие энергии и малые токи. Но для дальнейшего развития техники ЛСЭ инфракрасного и светового ди­ апазонов необходимо создание специальных ускорителей со значи­ тельными токами пучка и высокими уровнями энергии частиц (в десятки и сотни мегаэлектрон-вольт). Такие ускорители весьма громоздки.

Сильноточные электронные ускорители (СЭУ) с энергией частиц 1— 10 МэВ и током 0,1— 10 MA являются сегодня основным ин­ струментом для получения релятивистских сильноточных электрон­ ных пучков. Их создание стало возможным благодаря развитию раз­ делов сильноточной электроники: техники формирования мощных высоковольтных импульсов [1] и сильноточной эмиссионной элек­ троники [2]. Успехи в разработке эффективных сильноточных ком­ мутаторов и малоиндуктивных быстрых накопителей . [3, 4 ], с по­ мощью которых осуществляется компрессия импульсов в ускорите­ ле, создали энергетическую базу для сильноточных электронных

ускорителей. Использование такого эффективного источника элек­ тронов, как взрывная эмиссия, возникающая в высоковольтном дио­ де в начальной стадии вакуумного разряда [5], позволило осуще­ ствить генерацию импульсных электронных пучков с мощностью до 10 ТВт.

Сразу после своего появления СЭУ стали инструментальной базой для исследований по целому ряду физических направлений: инерциальному управляемому термоядерному синтезу, коллективно­ му ускорению ионов, возбуждению химических и газовых лазеров, генерации тормозного излучения, взаимодействию релятивистских электронных пучков (РЭП) с газом и плазмой и, наконец, генери­ рованию электромагнитных СВЧ-колебаний [6]. Такая широта при­ менения послужила мощным стимулом для развития техники СЭУ. Велось усовершенствование самих ускорителей и достигалось более глубокое понимание физики формирования электронных пучков, что позволило создавать ускорители с более высокой импульсной мощ­ ностью. Прогресс в этой области был очень быстрым. Если импульс­ ная мощность в электронном пучке первых СЭУ была 1— 10 ГВт [7, 8 ], то к середине семидесятых годов она шагнула в тераваттный диапазон [9], а к настоящему времени достигла уровня 100 ТВт [10].

Первые исследования по генерации микроволнового излучения с помощью сильноточных релятивистских электронных пучков с энергией порядка 1 МэВ были проведены в 1970 г. в США [11]. При этом удалось получить мощное импульсное СВЧ-излучение, что способствовало развертыванию широких исследований в этой обла­ сти [12]. В СССР создание приборов релятивистской сильноточной электроники началось несколько позднее [13] и также быстро про­ грессировало [14]. Необходимость повышения энергетических ха­ рактеристик импульсов СВЧ-излучения ставит два вопроса: форми­ рование РЭП с параметрами, обеспечивающими эффективную гене­ рацию, а также поиск и исследование типов взаимодействия элект­ ронных потоков с электромагнитным полем, адекватных возможно­ стям сильноточной электроники, т. е. позволяющих создать приборы без принципиальных ограничений на ток. Существующие ограниче­ ния обусловлены не проблемой транспортировки электронных пуч­ ков, а необходимостью соблюдения ряда условий эффективной гене­ рации или усиления, и прежде всего условий достижения опреде­ ленной степени пространственного развития систем и применения оптимальных механизмов взаимодействия.

Для получения сверхмощного коротковолнового излучения большой интерес представляют схемы, основанные на использова­ нии излучения пространственно-развитых потоков и электродинами­ ческих структур в релятивистских источниках СВЧ-излучения. Та­ кие приборы выгодно отличаются тем, что позволяют увеличить ток РЭП, получить оптимальные параметры пространственного заряда и снизить до требуемого уровня напряженность высокочастотного ноля на поверхности структуры. При этом, как известно, в сверхрнаморных волноводах с поперечными размерами во много длин волн основную проблему составляет получение одночастотного ре-

Живда генерации СВЧ-излучения, поскольку с увеличением отноше­ ния диаметра структуры к. длине волны генерации электронный поток может взаимодействовать со все большим количеством волн на разных частотах. Обычно получение одночастотной генерации электромагнитных, колебаний обеспечивается взаимодействием элек­ тронного потока с предварительно отселектированной модой «холод­ ной» электродинамической структуры, т. е. собственным колебанием структуры без пучка. Это обстоятельство накладывает жесткие огра­ ничения на поперечный размер структуры, а следовательно, и на апертуру используемого РЭП. Поэтому токи пучков относительно невелики, а энергетические возможности ускорителей используются далеко не полностью. Действительно, импульсная мощность пучков в упомянутых приборах не превышает 10 ГВт, а современные СЭУ способны сегодня генерировать пучки с мощностью. 100 ТВт. Не­ обходимо отметить, что техника формирования сильноточных элект­ ронных пучков сегодня еще не позволяет генерировать РЭП с той стабильностью, которая характерна для приборов традиционной электроники, и это препятствует получению высоких КПД в соот­ ветствующих приборах.

Одним из возможных вариантов решения проблемы является использование механизмов, в которых структура поля излучения определяется электронным потоком, причем взаимодействие потока и нескольких собственных электромагнитных волн электродинамит ческой структуры осуществляется на одной частоте. Когерентное излучение такого типа называется многоволновым. Многоволновые взаимодействие и излучение способствуют установлению одной определенной структуры объемного поля в пространственно-разви­ той электродинамической системе, снижению их напряженности на ее поверхности и повышению энергетических характеристик импуль­ сов генерируемого излучения. При этом структура поля оказывает­ ся простой, устойчивой, управляемой, обладающей временной и про­ странственной когерентностью. Рассмотрим подробнее основные принципы многоволнового взаимодействия электронных пучков с электромагнитным полем.

Отличительной особенностью многих релятивистских и нереля­ тивистских устройств является обеспечение существования лишь од­ ной моды электродинамической структуры в пространстве взаимо­ действия. Так, в классических приборах: Л ЕВ, ЛОВ, клистроне, магнетроне — поперечный размер электродинамической системы значительно меньше рабочей длины волны, что существенно облег­ чает выделение собственной моды. В оротронах, ГД И, гиротронах, некоторых типах релятивистских ЛОВ и ЛЕВ их соотношение мо­ жет быть обратным. В них принимаются меры для электродинами­ ческой или электронной селекции мод, т. е. используются различные способы выделения собственных колебаний (волн) таких структур [15].

При увеличении мощности генерируемых или усиливаемых ко­ лебаний возникают многочисленные проблемы, которые могут быть решены только существенным пространственным развитием элект­

родинамических структур. Селекция мод становится самостоятель­ ной и чрезвычайно сложной задачей. Даже при ее успешном реше­ нии возникает проблема вывода энергии из устройства, так как воз­ можное уменьшение добротности рабочей моды может ослабить механизм селекции. Эти трудности универсальны для одномодовых систем и могут быть в значительной степени разрешены путем ис­ пользования многоволновых свойств когерентного излучения реля­ тивистских электронных потоков. Проиллюстрируем причину возни­ кновения многоволнового излучения.

Механизмы взаимодействия электронного потока с электромаг­ нитным полем в электронике СВЧ могут быть различны. Можно, однако, выделить некоторые общие признаки, характеризующие микроволновые устройства. Прежде всего, это конечная длина об­ ласти взаимодействия. В простейшем случае она определяется рас­ стоянием между катодом и коллектором. Другое важное свойство — использование условий синхронизма (резонанса) электромагнитного поля с электронным потоком

со — kv ~ гай,

где со — частота поля, к — волновой вектор, v — скорость электрона,

родного магнитного поля, т и е масса и заряд электрона, с — ско­ рость света) реализуется тормозное излучение; при й = 2яуц/Z (1>ц — скорость поступательного движения электронов, I — период электро­ динамической структуры) — дифракционное; при Й = 2nvl{/d(d — период неоднородного магнитного поля) — ондуляторное и т. д. Это условие справедливо, строго говоря, только при взаимодействии электронного пучка с плоскими электромагнитными волнами, для которых можно ввести понятие волнового вектора. Тем не менее, оно применимо и к неоднородным волнам с изофазной поверхностью, на­ пример, к волноводным модам, так как имеет фазовый (кинемати­ ческий) характер. Как уже говорилось, обычно в электронике СВЧ стремятся фиксировать волновой вектор путем создания определен­ ной электродинамической структуры. Пучок при этом взаимодей­ ствует с одной волной (модой). Такие системы естественно назы­ вать одноволновыми.

К многоволновым будем относить устройства, в которых элек­ тронный поток взаимодействует на фиксированной частоте с не­ сколькими распространяющимися однородными и неоднородными волнами электродинамической структуры. Такой структурой можно считать и свободное пространство, а все взаимодействующие с пото­ ком волны могут и не быть ее собственными. В частности, для ре­ зонаторов многоволновое взаимодействие соответствует возбуждению пучком вырожденных собственных колебаний. Если в полосу син­ хронизма попадает несколько мод, обладающих достаточно низкой добротностью, то в резонаторе возможно возбуждение на одной час­

тоте колебаний, и не являющихся собственными. Иногда в этом случае говорят о формировании «горячей» моды.

Введенное понятие многоволнового взаимодействия пучка и электромагнитного поля отличается от рассматриваемого в традици­ онной электронике СВЧ описания усиления или генерации с по­ мощью собственных волн электронного потока. Легко видеть, что даже при наличии в электродинамической структуре лишь одной моды в электронном пучке может возбуждаться много волн, часть из которых эффективно взаимодействует с ней. В современном теоре­ тическом анализе используются более сложные модели электронного пучка, получаемые, например, с помощью метода крупных частиц. Волновое же описание часто применяется для качественной иллю­ страции механизмов взаимодействия потока и поля. Оно особенно полезно при интерпретации безызлучательных процессов, связанных, например, с пространственным зарядом пучка. Их влияние на ко­ герентное излучение пучка опосредованно и должно учитываться лишь при рассмотрении эффективных приборов с высоким КПД.

Одноволновым приборам естественно поставить в соответствие понятие индуцированного излучения, так как согласно его опреде­ лению, квант индуцированного излучения не отличим по частоте, волновому вектору и спину (поляризации) от падающего. В много­ волновых устройствах кванты излучения могут различаться направ­ лением волновых векторов. Поясним специфику и причины возник­ новения многоволновых задач на простейшем примере.

Пусть на область существования электронного потока (область взаимодействия) падает электромагнитная волна (со, к ). При опре­ деленных условиях возможно ее усиление. Если на выходе из си­ стемы частота и направление волнового вектора такие же, как и на входе, то процесс соответствует классической интерпретации индуци­ рованного излучения. Под действием падающей электромагнитной волны траектория электронов меняется, они группируются и излу­ чают, но не только в направлении волнового вектора. Если при этом частоту можно считать фиксированной, то можно говорить об инду­ цированном рэлеевском рассеянии. Оно всегда сопровождает про­ цесс, хотя может быть и невелико. Так, в лазерных средах из-за пространственной однородности активного вещества усиление рас­ сеянных волн в направлениях, отличных от направления падающей волны, почти полностью компенсируется.

В релятивистской высокочастотной электронике ситуация иная. Здесь, например, часто используются трубчатые электронные пучки с большим (во много длин волн) диаметром и малой (менее Я/4) толщиной. Вследствие такой пространственной неоднородности ак­ тивной среды в области взаимодействия возможно усиление не толь­ ко падающей, но и рассеянных волн. И на выходе устройства фор­ мируется распределение поля с диаграммой направленности, сущест­ венно отличающейся от таковой на входе. Ширину углового спектра рассеянных волн, обусловленную, в частности, конечностью разме­ ров системы, можно оценить из очевидного соотношения ДА»Дх» ~ ~ 2л, где ДА», Axi — проекции волнового вектора и размеров обла­

сти взаимодействия на оси декартовой системы координат. Таким: образом, уже только ограниченность длины взаимодействия дает ко­ нечную ширину углового спектра.

Механизм усиления электромагнитных волн зависит от кон­ кретной реализации системы и может быть классифицирован либо в соответствии с видом пучковой неустойчивости [16], либо с по­ мощью условия резонанса [17]. Во многих приборах в процессе, взаимодействия с электромагнитными волнами электронный поток

ронной длиной волны. Излучение становится когерентным и имеет

только на частоте поля, подающегося на вход устройства. Электрон­ ный поток становится аналогичным антенне бегущей волны.

Диаграмма направленности когерентного излучения электронов зависит от формы пучка, времени (длины) существования сгустков и свойств излучения отдельных электронов, определяемых механиз­ мом взаимодействия. Например, как будет показано, когерентное синхротронное излучение имеет узкую «прожекторную» диаграмму направленности. Многоволновые системы, по крайней мере принци­ пиально, наиболее просто реализуются в усилительном режиме ра­ боты. Однако возможно создание и многоволновых генераторов. Обратную связь можно ввести путем подачи на вход устройств^ части выходного излучения. Для одночастотного генератора необхо­ димо обеспечить селекцию мод в цепи обратной связи. При доста­ точном усилении основная часть энергии выводится, минуя эту цепь, что важно при создании мощных устройств. В многоволновом генераторе для обеспечения обратной связи можно также использо­ вать часть взаимодействующих рабочих мод, находящихся в син­ хронизме с пучком, причем их поперечная структура может отли­ чаться от структуры рабочих волн, выводящих энергию электромаг­ нитного поля.

Отметим также, что появление многоволнового когерентного из­ лучения можно интерпретировать как эффект нефиксированной по­ перечной структуры электромагнитного поля, меняющейся под влиянием пучка [18, 19]. Однако такая терминология связана с определенной, достаточно традиционной теоретической схемой, при­ меняемой Для описания взаимодействия электронного потока в* электродинамических системах с ограниченным поперечным сече­ нием, например, в волноводах. Для открытых низкодобротных струк­ тур или свободного пространства ее использование затруднительно. Кроме того, поперечная структура поля включает также неизлучаемую (увлекаемую) часть, определяемую собственными кулоновски­ ми и магнитными полями. Таким образом, уже в одноволновых си­

свойствами собственного излучения электронных сгустков [20] . Это обстоятельство имеет большое значение при интерпретации резуль­ татов исследований по самофокусировке и каналированию электро­ магнитных волн в ЛСЭ [ 2 1 ] Существуют, и другие проявления многоволнового взаимодействия, которые, в частности, могут при­ водить к увеличению КПД многоволновых устройств по сравнению с одноволновым. Физическая интерпретация этого эффекта доста­ точно проста. Если условия отдачи энергии электронами перестают быть оптимальными для одной волны, то они могут стать таковыми для другой и т. д. Таким образом, многоволновое взаимодействие более благоприятно для «высвечивания» энергии электронных сгуст­ ков и, следовательно, для оптимизации энергоотбора от пучка.

Исследованию вопросов, связанных с созданием релятивистских многоволновых устройств, посвящена многолетняя работа коллекти­ ва, куда входят авторы. При написании монографии авторы стави-> ли цель осветить с разных сторон проблему получения импульсов микроволнового излучения с мощностью 0 ,0 1 ^ 1 ТВт, соизмеримой, с возможностями современных СЭУ. Следует отметить одно сущест­ венное отличие сильноточной релятивистской электроники от тра­ диционной СВЧ-электроники. В последней проектирование системы энергопитания не связано с разработкой СВЧ-приборов. Это обстоя­

использовать только импульсный режим работы при мощностях 0,01— 100 ТВт заставляет пересмотреть принципы построения СВЧ-приборов: генераторов и усилителей. Как показано далее, про­ странственное развитие электродинамических систем СВЧ-устройств приводит к тесной связи процессов формирования сильноточных по­ токов с их излучением. С другой стороны, несомненна необходи­ мость оптимальной связи устройств накопления и передачи энергии с диодом ускорителя. Таким образом, в сильноточной электронике процессы формирования импульсов электромагнитной энергии и их преобразования в микроволновое излучение происходят, по существу, в едином устройстве. С методической точки зрения, по нашему мне­ нию, вполне оправдано раздельное рассмотрение способов получе­ ния импульсов напряжения, формирования электронных пучков и их когерентного излучения.

СИЛЬНОТОЧНЫЕ УСКОРИТЕЛИ ЭЛЕКТРОНОВ

1.1. ГЕНЕРИРОВАНИЕ МОЩНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ ПОТОКОВ

Для получения сильноточных электронных потоков требуются прежде всего особые источники электронов, способные эмитировать импульсные токи с амплитудой 0,01— 1 MA и плотностью 0,1— 10 кА/см2. Эта проблема имеет ограниченное число решений. Наи­ большее распространение получили холодные катоды на базе взрыв­ ной эмиссии [1], а также фотокатоды, стимулируемые лазерным из­ лучением [6], способные в коротких импульсах отдавать токи, не­ достижимые иными путями.

Для ускорения сильноточных потоков до релятивистских ско­ ростей в диапазоне энергий 1—20 МэВ сегодня используются два метода. Один из них — ускорение электронов потенциальным элек­ трическим полем в ускорителе прямого действия (УП Д). Энергия электронов пучка определяется разностью потенциалов, пройденной ими в высоковольтном диоде, а длительность импульса тока — вре­ менем действия ускоряющего напряжения. Другой метод — ускоре­ ние электронов вихревым электрическим полем, индуцируемым ме­ няющимся во времени магнитным потоком. Он реализуется в линей­ ных индукционных ускорителях (ЛИУ) [22—24], состоящих из многих одновитковых трансформаторов. В ЛИУ первичные обмотки трансформаторов соединены параллельно, а роль вторичной обмотки играет поток электронов. При этом вторичные напряжения транс­ форматоров суммируются.

Энергия, приобретаемая электронами в ЛИУ, зависит от скоро­ сти изменения индукции в магнитных сердечниках трансформаторов и площади их поперечного сечения. Длительность импульса опреде­ ляется временем нарастания магнитного потока в сердечнике, а моноэнергетичность пучка — постоянством скорости изменения индук­ ции во времени (к В /At = const). В индукционных ускорителях максимальные напряжения между элементами могут быть значи­ тельно меньшими, чем в УПД с той же энергией, в силу чего элект­ роны в ЛИУ могут приобретать более высокие энергии, вплоть до десятков мегаэлектронвольт. УПД представляет возможность уско­ рения для электронных потоков со значительно большими токами, чем в ЛИУ. Считается [23], что с увеличением энергии ускоренных частиц масса и стоимость ЛИУ растут линейно, а УПД — примерно как энергия в степени 2,5— 3, что определяется необходимостью увеличения размеров последнего во всех трех измерениях.

В этой главе основное внимание уделено СЭУ прямого действия, ЛИУ используются сегодня в основном в экспериментах с лазерами