Черенковские генераторы сверхвысокой мощности для комплексов ПРО и ПВО нового поколения

09 января 2008 г.

[Информационно-аналитический журнал «Новости науки и технологий» / учредитель ГУ «БелИСА». — Минск: ГУ «БелИСА», 2007, № 2(6)]

М.П. Батура, 
ректор Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники, д-р техн. наук, профессор

А.А. Кураев,
зав. кафедрой антенн и устройств СВЧ БГУИР, д-р физ.-мат. наук, профессор

И.В. Лущицкая,
ассистент кафедры вычислительных методов и програм­ми­рования БГУИР

А.К. Синицын,
зав. кафедрой вычислительных методов и програм­ми­рования БГУИР, д-р физ.-мат. наук, профессор

Введение

Использование СВЧ-импульсов сверхвысокой мощности P_u = 1–3 ГВт в диапазоне λ = 1–10 см с длительностью τ_u = 0,5–5 мкс позволяет реализовать эффекты электромагнитного поражения радиоэлектронных систем при создании комплексов ПРО и ПВО нового поколения. Возможность создания приборов СВЧ, обеспечивающих указанные параметры, появилась в начале 1970-х годов, когда были построены первые импульсные сильноточные ускорители электронных пучков до энергий 0,5–10 МэВ и током свыше 1 кА [1–3]. Многолетние экспериментальные и теоретические исследования различных типов СВЧ-генераторов показали, что наибольшие перспективы достичь указанных параметров излучения имеет черенковский генератор [4, 5]. На сегодняшний день на экспериментальных макетах генератора этого типа достигнуты P_u ~ 30 ГВт, τ_u ~ 20 нс, КПД = 20–30%.

На рис. 1 изображен один из вариантов схемы черенковского генератора [6, 7].

Рис. 1. Схема черенковского генератора: 1, 2) катод и анод, формирующие трубчатый электронный поток — 3;
4) модулирующая канавка (возможны две); 5) периодическая замедляющая гребенка; 6) выходной рупор

На вход области взаимодействия в виде отрезка полого цилиндрического гофрированного волновода 5 подается электронный поток 3, сформированный электронной пушкой 1, 2. В области взаимодействия 5 реализуются условия синхронизма электронного потока с одной из пространственных гармоник возбуждаемого электромагнитного поля. Вывод СВЧ-мощности производится через выходной рупор 6. Отработавший электронный поток осаждается на стенку волновода сразу за областью взаимодействия. Канавка 4 как играет роль заграждающего катод фильтра для Е_0i-волны, так и создает начальную модуляцию электронного пучка, образуя совместно с областью 5 и участком дрейфа двухкаскадный генератор с обратной связью по отраженной волне.

В схеме классического ЛОВ-О генератора в области 5 реализуется синхронизм с обратной волновой гармоникой υ_e ≈ υ_ф-1, характеризую-щейся тем, что направление ее фазовой скорости обратно направлению мощности, переносимой полным волновым полем. В такой схеме реализуется естественная обратная связь и эффективная генерация.

В ЛБВ-генераторе в области 5 реализуется синхронизм с попутной волновой гармоникой υ_e ≈ υ_ф0, а обратная связь осуществляется за счет отражения части СВЧ-мощности от нерегулярного участка волновода и обратного излучения электронов пучка.

На самом деле в черенковских генераторах, реализуется довольно сложный комбинированный ЛБВ-ЛОВ-О и гирорезонансный механизм, при котором несколько гармоник поля (как синхронных, так и несинхронных) участвуют во взаимодействии направляемого магнитостатическим полем B₀ релятивистского электронного потока с возбуждаемым ВЧ-электромагнитным полем. Ввиду этого при выполнении расчетов модель возбуждения не должна ограничиваться анализом взаимодействия лишь с одной-двумя гармониками поля, как это делается в большинстве ранее выполненных исследований [4, 5], а учитывать полное возбуждаемое поле.

В БГУИР уже более 10 лет ведутся исследования по поиску перспективных конструкций черенковских генераторов на основе вычислительного эксперимента. За этот период разработана теория возбуждения нерегулярных волноводов и на этой основе созданы адекватные математические модели весьма сложных процессов взаимодействия релятивистского электронного потока с полями нерегулярных электродинамических систем в области взаимодействия, создан комплекс программ вычислительного эксперимента, позволяющий выполнять расчет и оптимизацию параметров генератора начиная от катода до выходного рупора. Выполнены расчеты параметров канавки (4 на рис. 1), при которых она отражает рабочую Е_0i-волну черенковского генератора. Отработана методика расчета дисперсионных характеристик периодической замедляющей системы (5 на рис. 1) позволяющая находить параметры h_v, d_v, при которых в спектре пространственных гармоник возбуждаемого электромагнитного поля присутствуют гармоники, имеющие фазовую скорость, равную средней скорости электронного потока при заданном ускоряющем напряжении. Это позволяет заранее предсказывать возможные начальные для последующей оптимизации параметры замедляющей системы черенковского генератора. Разработана методика расчета профиля и параметров выходного рупора черенковского генератора (6 на рис. 1), обеспечивающего требуемое согласование с генератором и необходимую диаграмму направленности. В результате исследований обнаружен ряд эффектов и явлений, которые необходимо учитывать в моделях и при создании экспериментальных макетов. Найдены наиболее перспективные варианты конструкций, использующие одно–, двух– и трехмодовое взаимодействие для различных диапазонов длин волн: от 0,4 до 5 см с достижимым КПД от 20 до 60% [6, 7]. Выявлены пути достижения необходимых для реализации систем электромагнитного поражения параметров СВЧ-импульсов в экпериментальных макетах.

Для обеспечения преимущественно прямолинейного движения пучка вдоль области взаимодействия, необходимого для обеспечения условия реализации черенковского механизма генерации, используется фокусирующее продольное магнитное поле со значительной величиной магнитной индукции В₀. Безусловно, при заведомо больших значениях В₀ пучок будет иметь незначительный поперечный разброс электронов, однако при этом возможно потребуются специальные системы охлаждения. Поэтому важным является выбор наименьшего значения магнитного поля, обеспечивающего требуемые характеристики релятивистского электронного потока. Однако, как было ранее показано в работе [8], при выборе величины магнитного поля в ЛБВ-О с коаксиальной замедляющей системой следует учитывать возможность эффекта гирорезонансного взаимодей-ствия с одной из пространственных гармоник ВЧ-поля, приводящего к поперечной раскачке электронного потока и срыву генерации.

В настоящей работе на основе двумерной теории [7] установлена область значений величины магнитного поля, при которых наблюдается срыв генерации в черенковских генераторах c замедляющей системой в виде отрезка полого гофрированного волновода при реализации как ЛОВ-О, так и ЛБВ-О механизмов взаимодействия.

Результаты расчетов

Для анализа влияния двухмерных эффектов были выполнены расчеты зависимости эффективности как полученных ранее [6, 7], так и новых оптимизированных вариантов черенковских генераторов от величины фокусирующего магнитного поля. Ниже приняты обозначения и безразмерные параметры, введенные в [7]: все геометрические размеры выражены в единицах λ₀ /2π, λ₀ = 2πc/ω₀ , ω₀ =2πf — рабочая частота ВЧ-колебаний, относительное магнитное фокусирующее поле F = B₀e / m₀ω₀.

Приведем результаты по двум характерным вариантам генераторов на рабочей частоте f = 9,97 ГГц с регулярным периодическим гофром, для которого возможно оценить дисперсионные характеристики. Ве-личина фокусирующего магнитного поля для этой частоты, соответствующая значению F = 1 равна B₀ ≈ 0,35 Тл.

На рис. 2, 3 представлены основные характеристики вариантов. На рис. 2а, 3а изображены: кривая 1 — профиль нерегулярного волновода b(z), кривая 2 — сечение электронного пучка, кривая 3 — функция группировки, которая характеризует амплитуду гармоники тока в группируемом пучке, кривая 4 — электронный КПД, кривая 5 — волновой КПД. Рис. 2б, 3б иллюстрируют поперечные траектории электронов в пучке. При приближении к области гирорезонанса амплитуды колебаний электронов возрастают, и они осаждаются на стенку волновода. Зависимости КПД от нормированной величины продольного фокусирующего магнитного поля представлены на рис. 2в, 3в.

Рис. 2. Характеристики варианта 1

Вариант 1 (одномодовый, рис. 2). Внутренний радиус волновода b₀ = 5; гофрированный участок имеет n_v = 10 гофров высотой h_v = 1,59 и периодом d_v = 2,996; ширина, высота и параметр крутизны модулирующей канавки h_k = 1,723, L_k = 9,92, Δ_k = L_kp/L_k = 0,8 , ее расстояние от начала гребенки L₁₂=7,15; ток пучка I₀ = 1500A, его относительная скорость и радиус β₀ = 0,72, r₀ = 4,2; относительная величина магнитного поля F=1; достигнутый КПД составил 27%.

Как показал расчет дисперсии, в периодическом участке волновода на основной частоте фазовые скорости нулевой и минус первой гармоник принимают значения β_ф0 = 1,78, β_ф-1 = –0,65. В этом случае реализуется ЛОВ-О механизм. При F = 2,04 выполняется условие гирорезонанса F = γ(1+ β_z/ β_ф0) с нулевой пространственной гармоникой, распространяющейся навстречу пучку. Как видно из хода кривой на рис. 1б, этому значению F соответствует начало срыва генерации.

Вариант 2 (двухмодовый, рис. 3): b₀ = 6, n_v = 22, h_v = 1,419 , d_v=1; параметры двух модулирующих канавок, необходимых для отражениядвух волн Е₀₁ и Е₀₂: L_k1=11,67, L_k12=4,71, L_k2=1,617, h_k1=h_k2=3,8, Δ_k1 = Δ_k2 = 0,8, ток и относительная скорость пучка I₀ = 850, β₀ = 0,753, его радиус r₀ = 5. В периодическом участке волновода на основной частоте фазовые скорости нулевой и минус первой гармоник принимают значения β_ф0 = 0,764, β_ф-1 = –0,2. В данном варианте реализуется ЛБВ-О механизм при практически точном синхронизме с основной гармоникой и генерация на отраженной волне. При F₀ = 2,9 выполняется условие гирорезонанса  F = γ(1+ β_z/β_ф0) с отраженной основной пространственной гармоникой. Достигнутый КПД составил 24%.

Рис. 3. Характеристики варианта 2

Заключение

В результате выполненных расчетов найдены области значений величины сопровождающего магнитного поля благоприятные для реализации рассмотренных вариантов черенковского генератора. При малых значениях  F₀ < 0,7 срыв генерации объясняется недостаточным фокусирующим действием магнитного поля. В диапазоне 0,7 < F₀ < 1,5 наблюдается эффективная генерация сигнала при черенковском взаимодействии электронов с электромагнитной волной. В области значений 1,5 < F₀ < 3,5  имеется срыв генерации, который объясняется тем, что в этой области создаются благоприятные условия гирорезонансного взаимодействия с одной из пространственных гармоник.

Литература:

1. Месяц Г.А. Генерирование мощных наносекундных импульсов. — М.: Сов. радио, 1974. — 256 с.
2. Бугаев С.П., Ильин В.П., Кошелев В.И. и др. Формирование сильноточных релятивистских электронных пучков для мощных генераторов и ускорителей СВЧ // Релятивистская высокочастотная электроника. Материалы I Всесоюзного семинара Горький, 1979. — Вып. 1. — С. 5–17.
3. Месяц Г.А. Импульсные ускорители для релятивистской СВЧ-электроники // Релятивистская высокочастотная электроника. Материалы IV Всесоюзного семинара (Москва, 24–26 января 1984 г.), Горький, 1984. — Вып. 4. — С. 192–216.
4. Канавец В.И. Генераторы и усилители на релятивистских электронных потоках. — М.: МГУ, 1987. — 187 с.
5. Бугаев С.П. и др. Физические процессы в многоволновых черенкоских генераторах // Релятивистская высокочастотная электроника. Материалы V Всесоюзного семинара (Новосибирск, 5–7 мая 1987 г.), Горький, 1988. — Вып. 5. — С. 78–100.
6. Батура М.П., Кураев А.А., Лущицкая И.В., Синицын А.К. Оптимизация релятивистских черенковских генераторов на нерегулярных гофрированных волноводах с учетом закритических мод // Доклады БГУИР. — 2004. — № 4 (8). — С. 26–36.
7. Батура М.П., Кураев А.А., Синицын А.К. Моделирование и оптимизация мощных электронных приборов СВЧ. — Минск: БГУИР, 2006. — 275 с.
8. Кураев А.А., Навроцкий А.А., Синицын А.К. Двумерные эффекты в ЛБВ-О на коаксиальном гофрированном волноводе // 11-я международная конференция «СВЧ техника и телекоммуникационныетехнологии»: труды конференции КрыМиКо-2001, 10–14 сентября, г. Севастополь, Крым, Украина, с. 175–176.

Ссылки по теме:

• Оглавление № 2(6) 2007 журнала «Новости науки и технологий»
  
  
• Архив журнала «Новости науки и технологий»
  
  
• Другие издания  БелИСА