ПЛАНАРНЫЕ БРЭГГОВСКИЕ СТРУКТУРЫ С ЛЕНТОЧНЫМ РЭП

ПЛАНАРНЫЕ БРЭГГОВСКИЕ СТРУКТУРЫ
КАК ОСНОВА ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ МСЭ
С ЛЕНТОЧНЫМ РЭП
П. В. Калинин
(апробация кандидатской диссертации)
Мазеры на свободных электронах (МСЭ)


Накачка колебаний релятивистским электронным
пучком (РЭП)
Большое доплеровское повышение частоты
МЦАР
Убитрон
w = W + k zv z
Черенковский
генератор
Ленточный РЭП
Нет ограничения на полный ток пучка
Ускоритель У-2
Требования к электродинамической системе МСЭ




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
Обеспечение пространственной когерентности
излучения
в сильно сверхразмерной
системе
Двумерные
брэгговские структуры
(двоякопериодическая
гофрировка)
l||2
l  1
Вывод излучения из канала распространения РЭП
Брэгговский дефлектор волн
Структура и содержание диссертации

Введение
Глава 1. Установка ЭЛМИ.

Глава 2. Одномерные планарные брэгговские структуры.

Глава 3. Двумерные планарные брэгговские структуры.

Глава 4. Комбинированный брэгговский резонатор.

Глава 5. Брэгговский дефлектор волн.

Заключение

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.
Установка ЭЛМИ
Напряжение, Ud
0,8–1 МВ
Ток пучка, Ib
Катод
~ 5 кА
Сечение пучка в канале, Sb
~ 0,412 см
Длительность импульса, tb
~ 5 мкс
Ведущее магнитное поле, H||
Формирователь
ленточного пучка
до 14 кЭ
Ондуляторное магнитное поле, H
до 2 кЭ
Период ондулятора, du
4 см
Брэгговские отражатели
Вакуумный щелевой канал
Катушки ведущего
магнитного поля
У коллектора (z = 135 см)
На входе в резонатор (z = 0)
Изменение сечения пучка
по мере продвижения в канале
Приемник пучка
Оптическая
диагностика
Ондулятор
Импульсный дефлектор
пучка
k
E
H
Вакуумная камера
СВЧ-антенны
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.
Установка ЭЛМИ
Используемые диагностики
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,
излучения
Квазиоптические сеточные фильтры,
Резонансный волномер,
Гетеродинная схема,
Движение плазмы в
канале
Световоды и оптические датчики
Пространственное
распределение
излучения
Панель из неоновых ламп
Dw ≈ 1–3 ГГц;
Dw ≈ 0,5–1 ГГц;
Dw ≈ 200 МГц;
Dw ≈ 10 МГц
Одномерные планарные брэгговские структуры
m, n   1,2,...M  , hz ,M  0, h1D 
hz ,m  hz ,n  h1D
Двухволновое приближение
 dAm
 dz  i Am  i An

 dAn  i A  i A
n
m
 dz
  (1 / 2)(hm  hn  h1D )
h
Метод связанных волн
Собственные моды:
Поле внутри структуры:
1D
M
 a1  1
x, y
E  Re
A
E
exp(ihm z  iwt )

m
m
2
2
  j    1   j   lz  m M
Am
2
2
Уравнения связанных
волн:
 w j  lz   lz  z  ihm Am   mn An
nm
Q j      


c
h
j


 
H10  H10 , 2  0,02 мм1, lz  180 мм
j 
2
Полоса рассеяния:
Dhmn  2  / lz    mn
2
d
Одномерный планарный резонатор для МСЭ
Моды Фабри-Перо:
Q
h  lэфф
1  R R 
1
, lэфф   l0   1 
2
  4 мм,
W  200 Дж,
h  4%
NQ  2 lэфф 
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, a0 = 10 мм, a1 = 0,2 мм, l z= 100 мм
d = 2 мм, a0 = 10 мм, a1 = 0,065 мм, l z= 183 мм
Связь бегущей и квазикритической волн
hz ,m  h1DM
2
w    pm    qM 
c
 lx   a0 
2
Метод связанных волн
 dA
 dz i A  i M B
 2
 1 d B  i B  i B    A  A 
M


 2 dz 2
H10  E15  H10 , a0  10, 2 мм, lz  60 мм
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:


 2 mn


 mn 2 l l

2
D
x
z


2
1: 

h 2 D
l xl z
Q

 mn

2
2
2



m
n

 l  l 

x
z 


2

 2  m2

n


2



2D
 l2
 mn
lz2  
4

x

2
D


2
Метод
связанных
волн
2: 

h 2 D
1
Q

 mn

2
2
2



m
n

 dA 
B l 3B l 3 
i

A

i

z 

2 D   x  
 dz  

 dB i B  i  A  A 

2D


 dx
hA  hB  h2 D
Синусоидальная гофрировка
TEM  TEM ,  2 D  0,01 мм1, lx  lz  180 мм
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):


 2 mn




mn
1D


2
2



l


2
D
1D
z


1: 

2
3
h





l
2D
1D
Q 

z
mn
2
2
2


 m  n  



 2lz2 Метод
m 2  n 2 связанных
волн
 mn   2 2 D   1D  

4  2 D   1D  

2: 

2
 dA3 
h  2 D   1D   lz
i A  i 2 D  B  B  1D A

Q


dz
2
TEM  TEM ,
 mn


 2  n2 
m


 2A
ммB1 , 1D  1,2   2 D , lx  lz  180 мм
 dB i B  i  A 
D 0,01


2D


1D
 dx
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,
a1= 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. A445, 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. A475, p. 287–295.
Планарный брэгговский дефлектор волн
Новая схема вывода излучения
Метод связанных волн
  A  i A  i B  0
 z

  B  i B  i A  0
 x
Граничные условия:
x 
A  x, 0   A0  x   2  sin 
 , B 0, z   0
l
 x 


A  x, z   J 0 2 xz , B  x, z   i

x
J 1 2 xz
z

Планарный брэгговский дефлектор волн
1000
U diode , kV
Ibea m, kA
10
#5420
8
U diode
6
500
Ibeam
4
2
0
0,1
0
Pmw
1
0
3
2
1
0,0
0
hv4 hv3
-0,1
0
-1
hv2
1 t, s
hv1
2
3
Планарный брэгговский дефлектор волн
Оптимизация поверхности
a1 = 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
0,5
К-т отражения
Результаты «горячих» экспериментов
R=-0.2
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
R=-0.4
0,0
71
72
73
74
75
76
77
78
79
f, ГГц
1,0
0,3
0,9
R=-0.6
К-т отражения
Спектральная плотность
б)
0,4 Появление «запертых» мод
Sine
corrugation
синусоидальная
нарезка
1,0
0,2
R=-0.8
0,1
R=-1.0
0,0
Sine
corrugation
синусоидальная
нарезка
Chess-board
шахматнаяcorrugation
нарезка
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
H 10  73
H 10 ,
74
75
76
f, ГГц
  0,01 мм , lx  100
мм, lz  180 мм
1
а)
77
0,0
71
-8
72
73
-4
74
75
f,0ГГц
76
77
78
4
79
Re(
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.
8
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





Разработана методика тестирования спектральных свойств планарных
брэгговских структур.
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.
Положения, выдвигаемые на защиту





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>> ) 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. A445, 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. A475, 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.