ПЛАНАРНЫЕ БРЭГГОВСКИЕ СТРУКТУРЫ КАК ОСНОВА ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ МСЭ С ЛЕНТОЧНЫМ РЭП П. В. Калинин (апробация кандидатской диссертации)
Мазеры на свободных электронах (МСЭ) l l Накачка колебаний релятивистским электронным пучком (РЭП) Большое доплеровское повышение частоты МЦАР Убитрон w = W + kzvz Черенковский генератор
Ленточный РЭП Нет ограничения на полный ток пучка Ускоритель У-2
Требования к электродинамической системе МСЭ l l Транспортировка сильноточного РЭП на длину пространства взаимодействия Одномерные брэгговские структуры (отрезки слабогофрированных волноводов) Обеспечение высокой добротности только для моды, образованной волнами, бегущими под малым углом к направлению движения электронов l Обеспечение пространственной когерентности излучения в сильно сверхразмерной системе Двумерные брэгговские структуры (двоякопериодическая гофрировка) l Вывод излучения из канала распространения РЭП Брэгговский дефлектор волн
Структура и содержание диссертации l Введение Глава 1. Установка ЭЛМИ. l Глава 2. Одномерные планарные брэгговские структуры. l Глава 3. Двумерные планарные брэгговские структуры. l Глава 4. Комбинированный брэгговский резонатор. l Глава 5. Брэгговский дефлектор волн. l Заключение l Схема эксперимента, основные параметры установки, используемые диагностики. Отражатели, методика расчетов и измерений, одномерный резонатор для ЭЛМИ, результаты «горячих» экспериментов, отражатель на связи бегущей и квазикритической волн. Отражатели, различные типы гофрировок, влияние примеси одномерного рассеяния, влияние боковых стенок, двумерный резонатор для ЭЛМИ, результаты «горячих» экспериментов. «Холодные» измерения, результаты «горячих» экспериментов, демонстрация одномодовой одночастотной генерации. Расчеты и оптимизация, «холодные» измерения, использование на установке ЭЛМИ.
Напряжение, Ud Ток пучка, Ib Установка ЭЛМИ 0, 8– 1 МВ ~ 5 к. А Сечение пучка в канале, Sb ~ 0, 4 12 см Длительность импульса, tb ~ 5 мкс Ведущее магнитное поле, H|| Ондуляторное магнитное поле, H Период ондулятора, du до 14 к. Э до 2 к. Э 4 см У коллектора (z = 135 см) На входе в резонатор (z = 0) Изменение сечения пучка по мере продвижения в канале A. V. Arzhannikov, V. T. Astrelin, V. A. Kapitonov et al. Sudies of microsecond ribbon REB generation and transport. // Proc. of 9 Int. Conf. on High-Power Particle Beams, Novosibirsk, USSR, 1990, v. 1. P. 256– 263.
Используемые диагностики Установка ЭЛМИ Напряжение Резистивные делители Ток пучка на входе и на коллекторе Пояса роговского Мощность излучения Полупроводниковые детекторы на «горячих электронах» Спектральный состав Запредельные волноводы; Волноводные полосовые фильтры, Dw ≈ 1– 3 ГГц; излучения Квазиоптические сеточные фильтры, Dw ≈ 0, 5– 1 ГГц; Резонансный волномер, Dw ≈ 200 МГц; Гетеродинная схема, Dw ≈ 10 МГц Движение плазмы в канале Световоды и оптические датчики Пространственное распределение излучения Панель из неоновых ламп
Одномерные планарные брэгговские структуры Двухволновое приближение Метод связанных волн Собственные моды: Поле внутри структуры: Уравнения связанных волн: Полоса рассеяния:
Одномерный планарный резонатор для МСЭ Моды Фабри-Перо: l 4 мм, W 200 Дж, h 4% M. A. Agafonov, A. V. Arzhannikov, P. V. Kalinin et al. Generation of hundred joules pulses at 4 mm wavelength by FEM with sheet electron beam. // IEEE Trans. Plasma Sci. 1998, v. 26, n. 3, p. 531– 535.
Стенд для измерения спектральных характеристик планарных брэгговских структур 1 — панорамный измеритель КСВН и ослабления, 2 — рупор для формирования широкого волнового пучка, 3 — направленные ответвители с детекторами, 4 — брэгговская структура 1 — панорамный измеритель КСВН и ослабления, 2 — направленные ответвитель, 3 — облучатель, 4 — плоское параболическое зеркало, 5 — брэгговская структура, 6 — плоский рупор
Одномерные планарные отражатели d = 2 мм, a 0 = 10 мм, a 1 = 0, 2 мм, l z= 100 мм d = 2 мм, a 0 = 10 мм, a 1 = 0, 065 мм, l z= 183 мм
Связь бегущей и квазикритической волн Метод связанных волн Н. С. Гинзбург, А. М. Малкин, Н. Ю. Песков, А. С. Сергеев. О механизме самовозбуждения МСЭ-генераторов в условиях связи распространяющихся и запертых волн. // Письма в ЖТФ. 2006, т. 32, вып. 20. С. 60– 69.
Двумерные планарные брэгговские структуры Открытая двумерная структура Собственные моды: Синусоидальная гофрировка Метод связанных волн А. В. Аржанников, Н. С. Гинзбург, П. В. Калинин и др. Теоретическое и экспериментальное исследование пространственноразвитых планарных двумерных брэгговских резонаторов. // Письма в ЖТФ. 2000, т. 26, вып. 8, c. 72– 83.
Двумерные планарные брэгговские структуры Гофрировка прямоугольными канавками Эволюция спектральных характеристик Открытая двумерная структура с примесью одномерного рассеяния Собственные моды (lx = lz): Метод связанных волн А. В. Аржанников, Н. С. Гинзбург, П. В. Калинин и др. Теоретическое и экспериментальное исследование пространственноразвитых планарных двумерных брэгговских резонаторов. // Письма в ЖТФ. 2000, т. 26, вып. 8, c. 72– 83.
Двумерный планарный резонатор для МСЭ Спектр генерируемого излучения Filter 1 Filter 2 Filter 3 lx= lz=180 мм, a 1= 0, 2 мм N. V. Agarin, A. V. Arzhannikov, P. V. Kalinin et al. First operation of powerful FEL with two-dimensional distributed feedback. // Nuclear Instr. and Meth. in Phys. Res. A. 2000, v. A 445, p. 222– 229.
Двумерные планарные брэгговские структуры Шахматная гофрировка Спектр генерируемого излучения A. V. Arzhannikov, N. S. Ginzburg, P. V. Kalinin. Progress in development of high-power FELs with two-dimensional Bragg resonators. // Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. A. 2001. V. A 475, p. 287– 295.
Планарный брэгговский дефлектор волн Новая схема вывода излучения Метод связанных волн Граничные условия:
Планарный брэгговский дефлектор волн
Планарный брэгговский дефлектор волн Оптимизация поверхности a 1 = 0, 4 мм
Двумерные планарные брэгговские структуры Закрытый отражатель Эволюция спектра при изменении к-та Chess-board corrugation шахматная нарезка 0, 9 отражения от боковых стенок 0, 8 R=0. 0 R=-0. 2 0, 7 0, 6 0, 5 0, 4 0, 3 0, 2 0, 1 0, 4 Появление «запертых» мод 0, 0 R=-0. 4 0, 3 72 73 74 0, 2 R=-0. 8 0, 1 R=-1. 0 73 74 75 f, ГГц 76 75 76 77 78 79 f, ГГц 0, 9 R=-0. 6 0, 0 71 1, 0 К-т отражения Спектральная плотность К-т отражения Результаты «горячих» экспериментов 0, 5 Sine corrugation синусоидальная нарезка 1, 0 Sine corrugation синусоидальная нарезка Chess-board corrugation шахматная нарезка 0, 8 0, 7 0, 6 0, 5 0, 4 0, 3 0, 2 0, 1 77 0, 0 71 -8 72 73 -4 74 75 0 f, ГГц 76 77 4 78 79 Re(d) 8 А. В. Аржанников, Н. С. Гинзбург, П. В. Калинин и др. Особенности спектра мод планарных структур с двумерной брэгговской гофрировкой (теория и "холодный" эксперимент). // Изв. Вузов, Радиофизика. 2005, т. 58, вып. 10– 11, c. 842– 855.
Двумерные планарные брэгговские структуры Подавление «запертых» мод. Рассеиватель Петля связи
Возможности использования поперечных потоков Стабилизация частоты излучения Многоканальный МСЭ Создание суб-мм генератора А. В. Аржанников, Н. С. Гинзбург, П. В. Калинин и др. К теории планарного МСЭ-генератора с циркуляцией поперечных электромагнитных потоков в двумерном брэгговском зеркале. // ЖТФ. 2006, т. 76, в. 12, c. 80– 85. Одноканальные и многоканальные планарные мазеры. // Изв. ВУЗов. Радиофизика. 2003, т. 46, вып. 10, c. 907– 913.
Комбинированный планарный резонатор Основная «продольная» мода «Запертые» моды А. В. Аржанников, Н. С. Гинзбург, П. В. Калинин и др. Исследование генерации миллиметрового излучения в планарном мазере на свободных электронах с комбинированным брэгговским резонатором. // Вестник НГУ. Сер. Физика. 2006, т. 1, в. 2, c. 71– 81.
Одномодовая одночастотная генерация А. В. Аржанников, Н. С. Гинзбург, П. В. Калинин и др. Генерация пространственно-когерентного излучения в мазере на свободных электронах с двумерной распределенной обратной связью. //Письма в ЖЭТФ. 2008, т. 87, №. 11, с. 715– 719.
Заключение l Разработана методика тестирования спектральных свойств планарных брэгговских структур. l Проведены теоретические и экспериментальные исследования одномерных и двумерных планарных брэгговских структур. Указаны пути улучшения их частотной селективности. Показано влияние граничных условий на узких стенках планарного волновода, а также примеси одномерного рассеяния на двумерной брэгговской структуре на спектральные характеристики такой структуры. Реализовано эффективное подавление «запертых» мод с помощью рассеивателей. Разработана и реализована оригинальная схема вывода излучения на основе планарного брэгговского дефлектора. Показана возможность оптимизации свойств дефлектора для получения необходимого распределения амплитуды волны на выходе. Продемонстрирован режим одномодовой одночастотной генерации в планарном МСЭ с ленточным РЭП при использовании комбинированного брэгговского резонатора с реализацией двумерной распределенной обратной связи во входном отражателе. l l l
Положения, выдвигаемые на защиту l l l Одномерные планарные брэгговские структуры обеспечивают частотно -селективную положительную обратную связь в мазере с ленточным РЭП. Селективность одномерных брэгговских структур может быть существенно улучшена при использовании связи бегущей и квазикритической волн. Двумерные планарные брэгговские структуры обладают лучшей селективностью, как по продольному, так и по поперечному индексам по сравнению с одномерными. Граничные условия на узких стенках планарного волновода, а также примесь одномерного рассеяния на двумерной брэгговской структуре оказывают существенное влияние на спектральные характеристики такой структуры. Планарные брэгговские структуры позволяют управлять потоками микроволнового излучения и пространственным распределением его амплитуды. В сверхразмерном ( l >>l ) планарном МСЭ с ленточным РЭП возможно получение режима одномодовой одночастотной генерации при использовании брэгговских структур с двумерной распределенной обратной связью.
Ключевые публикации 1. M. A. Agafonov, A. V. Arzhannikov, P. V. Kalinin et al. Generation of hundred joules pulses at 4 mm wavelength by FEM with sheet electron beam. // IEEE Trans. Plasma Sci. 1998, v. 26, n. 3, p. 531– 535. 2. А. В. Аржанников, Н. С. Гинзбург, П. В. Калинин и др. Теоретическое и экспериментальное исследование пространственно-развитых планарных двумерных брэгговских резонаторов. // Письма в ЖТФ. 2000, т. 26, вып. 8, c. 72– 83. 3. N. V. Agarin, A. V. Arzhannikov, P. V. Kalinin et al. First operation of powerful FEL with two-dimensional distributed feedback. // Nuclear Instr. and Meth. in Phys. Res. A. 2000, v. A 445, p. 222– 229. 4. A. V. Arzhannikov, N. S. Ginzburg, P. V. Kalinin. Progress in development of high-power FELs with twodimensional Bragg resonators. // Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. A. 2001. V. A 475, p. 287– 295. 5. Arzhannikov, N. S. Ginzburg, P. V. Kalinin et al. Electrodynamic properties of two-dimensional Bragg resonators of planar geometry. // Optics Communications, 2001, v. 187, No. 4– 6, p. 311– 317. 6. А. В. Аржанников, Н. С. Гинзбург, П. В. Калинин и др. Особенности спектра мод планарных структур с двумерной брэгговской гофрировкой (теория и "холодный" эксперимент). // Изв. Вузов, Радиофизика. 2005, т. 58, вып. 10– 11, c. 842– 855. 7. А. В. Аржанников, Н. С. Гинзбург, П. В. Калинин и др. Демонстрация существования высокодобротных мод в центре резонансной полосы двумерных брэгговских структур. // Письма в ЖТФ. 2007, т. 33, вып. 3, с. 46– 56. 8. А. В. Аржанников, Н. С. Гинзбург, П. В. Калинин и др. Одноканальные и многоканальные планарные мазеры. // Изв. ВУЗов. Радиофизика. 2003, т. 46, вып. 10, c. 907– 913. 9. А. В. Аржанников, Н. С. Гинзбург, П. В. Калинин и др. Исследование генерации миллиметрового излучения в планарном мазере на свободных электронах с комбинированным брэгговским резонатором. // Вестник НГУ. Сер. Физика. 2006, т. 1, в. 2, c. 71– 81. 10. А. В. Аржанников, Н. С. Гинзбург, П. В. Калинин и др. К теории планарного МСЭ-генератора с циркуляцией поперечных электромагнитных потоков в двумерном брэгговском зеркале. // ЖТФ. 2006, т. 76, в. 12, c. 80– 85. 11. А. В. Аржанников, Н. С. Гинзбург, П. В. Калинин и др. Генерация пространственно-когерентного излучения в мазере на свободных электронах с двумерной распределенной обратной связью. // Письма в ЖЭТФ. 2008, т. 87, №. 11, с. 715– 719. 12. Arzhannikov, N. S. Ginzburg, P. V. Kalinin et al. Production of Powerful Spatially Coherent Radiation in Planar and Coaxial FEM Exploiting Two-Dimensional Distributed Feedback. // IEEE Trans. Plasma Sci. 2009, v. 37, n. 9, p. 1792– 1800.
Скачать презентацию ПЛАНАРНЫЕ БРЭГГОВСКИЕ СТРУКТУРЫ КАК ОСНОВА ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ МСЭ
d8240def84e836350922eed4209b7fa9.ppt