CC BY
29
УДК 533.932
УВЕЛИЧЕНИЕ СРЕДНЕЙ МОЩНОСТИ ИЗЛУЧЕНИЯ ПЛАЗМЕННОГО РЕЛЯТИВИСТСКОГО СВЧ-ГЕНЕРАТОРА
О. Т. Лоза, Д. К. Ульянов, П. С. Стрелков, И.Е. Иванов, Р. В. Баранов
Экспериментально исследована работа импульсно-периодического плазменного релятивистского СВЧ-генератора, с импульсной мощностью 50 МВт. Изменение формы коллектора электронов и выходного узла помогло существенно повысить среднюю мощность излучения. Длительность СВ Ч-импульса увеличилась от 30 до 70 не, а частоту повторения СВЧ-импульсов
5 50
Ключевые слова: релятивистская электроника. СВЧ-генератор. плазма, укорочение СВЧ-импульса.
Первый импуттьсно-периодический плазменный релятивистский СВЧ-генератор (ПРГ) был описан в работе [1]. Принцип действия ПРГ основан на черенковском взаимодействии сильноточного релятивистского электронного пучка (РЭП) с предварительно созданной плазмой [2]. Источником энергии для СВЧ-генератора служил ускоритель электронов СИНУС [3], формирующий в диоде импульсы напряжения с амплитудой 500 кВ и длительностью 70 не по полувысоте. Максимальная для этого ускорителя частота формирования импульсов равнялась 50 Гц. длительность пачки импульсов одна секунда. Были продемонстрированы генерация СВЧ-излучения с импульсной мощностью 50 МВт и возможность перестройки частоты излучения от импульса к импульсу в полосе частот от 5 до 20 ГГц.
Особенности ПРГ. описанного в работе [1]. не позволяли эффективно использовать возможности ускорителя. Длительность СВЧ-импульсов 30... 40 не оыла вдвое меньше длительности импульсов тока РЭП. а максимальное число СВЧ-импульсов в пачке не превышало 6. Таким образом, суммарная продолжительность СВЧ -излучения была
Учреждение Российской академии наук Институт общей физики им. A.M. Прохорова РАН, 119991 Москва, ул. Вавилова, 38; e-mail: [email protected].
на порядок меньше той, которую мог обеспечить ускоритель. Целью настоящей работы было устранить это несоответствие, и тем самым существенно повысить среднюю мощность СВЧ-излучения.
Причины укорочения СВЧ-импульса в ПРГ обсуждались в работе [4]. Моделирование ПРГ с геометрией, аналогичной [1], которое проводилось с помощью электродинамического кода Карат [5], позволило объяснить сокращение длительности СВЧ-импульса до 30 не. Оказалось, что электростатическое поле РЭП вызывает уход плазмы из области, непосредственно граничащей с коллектором электронов.
Рис. 1: Схема плазменного релятивистского СВЧ-генератора: 1 - релятивистский электронный пучок; 2 - плазма; 3 - коллектор; 4 - рупор; 5 - турбомолекулярный насос.
Причиной того, что ПРГ [1] не мог генерировать СВЧ-излучение в каждом из 50 импульсов пачки с длительностью 1 с, также были процессы на коллекторе. Электроны, оседавшие на его поверхности во время прохождения тока ускорителя, вызывали десорбцию газа. В течение интервала времени 20 мс между импульсами этот газ не успевал откачиваться, давление постепенно возрастало, нарушались условия создания плазмы с необходимыми параметрами в области ее взаимодействия с РЭП, и СВЧ-генерация становилась невозможной.
Для решения описанных проблем конструкция ПРГ претерпела изменения, показанные на рис. 1. Как и в СВЧ-генераторе [1], РЭП 1 и плазма 2 взаимодействуют в сильном магнитном поле В в области, ограниченной плоскостью инжекции слева и краем коллектора 3 справа. СВЧ-излучение распространяется далее по металлическому волноводу в выходной рупор 4. Как и в [1], конструкция не является аксиально-симметричной: коллекторный узел является одновременно преобразователем ТЕМ-волны коаксиального
О
(2)
(1)
50
100
не
о
50
100
/. нс
(3)
о
50
100
не
Рис. 2: Осциллограммы импульсов: I - напряжение на катоде; 2, 3 - СВЧ-излучение в разных режимах.
волновода в волну типа Н11 в рупоре круглого сечения.
В отличие от ПРГ [1], где графитовый коллектор был выполнен в виде сплошного цилиндра, ограничивавшего распространение РЭП, здесь коллектор представляет собой полую конструкцию, форма которой частично повторяет форму магнитных силовых линий. Электроны пучка проникают в канал с диаметром 2.3 см и длиной 15 см и распространяются в нем, следуя магнитному полю, до более широкой камеры, где оседают на стенки. Газ из камеры откачивается турбомолекулярным насосом (5 на рис. 1) через отверстие с диаметром 10 см. Таким образом, десорбированный с поверхности коллектора газ лишь в незначительной степени уходит в область плазменно-пучкового взаимодействия, а основная его часть удаляется.
Следует напомнить, что полый коаксиальный коллектор применялся в плазменных СВЧ-генераторах и ранее. Именно такая форма коллектора позволила создателям ПРГ [6] получать одиночные импульсы СВЧ-излучения с максимальной мощностью 40 МВт и длительностью до 800 нс. Целью применения полого коллектора в работе [6] было устранение коллекторной плазмы из области плазменно-пучкового взаимодействия.
Использование полого коллектора с дополнительной вакуумной откачкой, показанного на рис. 1, помогло увеличить число СВЧ-импульсов в пачке до 50, т.е. до величины, определяемой возможностями ускорителя. Осциллограммы процессов в ПРГ показаны на рис. 2. Напряжение на катоде ускорителя и ток РЭП продолжаются приблизительно
70 не. в течение всего этого времени может происходить СВЧ-излучение. Возможная форма СВЧ-импульсов почти прямоугольная или состоящая из нескольких пиков определяется особенностями работы ПРГ. а именно, шириной спектра и динамикой изменения частоты излучения в течение импульса. Обсуждение этих особенностей выходит за рамки настоящей работы, поскольку они являются темой отдельных исследований.
Работа выполнена в рамках Программы фундаментальных исследований Президиума РАН "Проблемы физической электроники, пучков заряженных частиц, генерации электромагнитного излучения в импульсных системах большой мощности" при поддержке гранта РФФИ X 10 08 00994-а.
ЛИТЕРАТУРА
[1] И. Л. Богданкевич. Д. М. Гришин. А. В. Гунин и др.. Физика плазмы 34(10). 926 (2008).
[2] М. В. Кузелев. О. Т. Лоза. А. А. Рухадзе и др.. Физика плазмы 27(8), 710 (2001).
[3] G. A. Mesyats. S. D. Korovin. А. V. Gunin. et al.. Laser and Particle Beams 21. 197 (2003).
[4] И. Л. Богданкевич. О. Т. Лоза. Д. А. Павлов. Краткие сообщения по физике ФИАН, 37(2), 16 (2010).
[5] V. P. Tarakanov. User's Manual for Code KARAT (Springfield. VA: Berkley Research Associates. Inc.. 1992).
[6] O. T. Loza.. P. S. Strelkov. and I. A. Ivanov. IEEE Trans, on Plasma Science 26(3), 336 (1998).
Поступила в редакцию 17 ИЮНЯ 2010 г.
