Международные отношения
Узел перемещения сферического зеркала
- Подробности
- Категория: Международные отношения
Приоритет в создании и развитии ГДИ принадлежит ученым СССР. Дифракционное излучение впервые в эксперименте наблюдал К.И. Крылов в конце 30х гг. Теорию эффекта дифракционного излучения разработал И.М. Франк в середине 40х гг. В начале 60х гг. теоретические исследования эффекта дифракционного излучения продолжили Б.М. Болотовский и Г.В. Воскресенский (Москва) , а обоснование применения эффекта дифракционного излучения электронных пучков для генерации колебаний в ММ и субММ диапазонах волн осуществили В.П. Шестопалов, О.А. Третьяков, А.И. Цвык, В.Г. Сологуб (Харьков) 25. В эксперименте Смит и Парселл в 1953 г. обнаружили слабое дифракционное излучение в инфракрасном диапазоне при движении релятивистского электронного пучка вблизи отражательной решетки, что на то время не позволило сделать вывод о перспективности таких источников для генерации ММи субММволн 6. Творческим шагом к созданию эффективных генераторов дифракционного излучения явилось включение ОР в цепь обратной связи «электронный пучок дифракционное излучение».
В литературе можно встретить два названия таких источников ММи субММволн: первое название оротрон отражает конструктивные признаки генератора, т.к. составлено из первых букв названий элементов конструкции генератора открытый резонатор и отражательная решетка; второе название ГДИ отражает физический принцип действия генератора, который базируется на эффекте когерентного дифракционного излучения электронного пучка. Первые исследования экспериментальных макетов генераторов с открытым резонатором оротронов ММ диапазона были проведены Русиным Ф.С. и Богомоловым Г.Д. в Институте физических проблем АН СССР (Москва, 19641968 гг.) 7, 8. Первые исследования экспериментальных макетов ГДИ осуществлены Шестопаловым В.П., Скрынником Б.К., Балаклицким И.М., Куриным В.Г. в ИРЭ АН УССР (Харьков, 19631967 гг.) 911.
Большой вклад в развитие нового направления СВЧэлектроники дифракционной электроники внесли сотрудники ИРЭ АН УССР под руководством В.П. Шестопалова. На протяжении 7080х гг. прошлого века в ИРЭ АН УССР была создана серия ГДИ средней мощности, полностью перекрывающая ММдиапазон и частично субММдиапазон длин волн. Результаты этих исследований отражены в ряде монографий 1215. Успехи в разработке ГДИ стимулировали постановку исследований источников дифракционного излучения в других странах: США, Китае, ФРГ 1618. В начале 90х гг. в России были проведены исследования мощных оротронов ММи СМ
диапазонов 19, в настоящее время проводятся исследования по созданию источников дифракционного излучения в терагерцовом диапазоне 20.
Благодаря уникальным свойствам выходного сигнала ГДИ находят широкое применение в научных исследованиях, в частности, для диагностики плазмы, в радиоспектроскопии, для накачки квантовых парамагнитных усилителей бегущей волны ММдиапазона и для обеспечения динамической поляризации ядерных мишеней, в когерентной радиолокации, в устройствах неразрушающего контроля изделий и технологических процессов.
Глава 1 Принципы действия ГДИ
Рассмотрим состав ГДИ и физические принципы, заложенные в основу его работы. Открытая резонансная система (ОРС) для типичного ГДИ (см. рис. 1) состоит из двухзеркального ОР, образованного сферическим зеркалом 1 и плоским (цилиндрическим) зеркалом 2. Сферическое зеркало содержит элемент связи с нагрузкой, а на плоском (цилиндрическом) зеркале в центральной части размещена ограниченная по ширине периодическая структура. (В оротроне периодическая структура изначально покрывает всю поверхность плоского зеркала полусферического ОР, а цилиндрические зеркала не используются вовсе.) Электронная пушка формирует ленточный электронный пучок с начальной скоростью электронов ve, который затем движется вблизи периодической структуры и удерживается от расплывания продольным магнитным полем.
Отметим, что режим «ГДИ» при скользящих углах излучения ф=0 и ф=п остается режимом возбуждения быстрых волн, так как может существовать на любых частотах и совпадает с режимами «ЛОВ», «ЛБВ» только на длинноволновой границе каждой из полос пропускания режима поверхностных волн в периодической структуре. При одной и той же скорости электронного пучка (например, c/ve=12,2) возможна нежелательная конкуренция между режимами «ГДИ» и «ЛОВ», приводящая к «жесткому» режиму возбуждения колебаний в ГДИ, к изрезанности амплитудной характеристики генератора. Подавление режимов возбуждения поверхностных волн в ГДИ осуществляется за счет выбора типа и длины используемых периодических структур, повышения добротности используемого типа колебаний в ОРС.
1.3 Модификации источников дифракционного излучения и их конструктивные особенности
Рассмотрим основные варианты конструкции электродинамической системы ГДИ, их преимущества и недостатки, отражающие основные этапы развития этого класса источников излучения.
Оротрон
Первый вариант конструкции оротрона (Русин Ф.С., Богомолов Г. Д. 21) состоял из полусферического ОР, в котором отражательная решетка полностью покрывала плоское зеркало. Ленточный электронный пучок фокусировался внешним магнитным полем и пропускался над центральной частью отражательной решетки. Преимущества решетка автоматически согласована по фазе с полем как основного TEMтипа колебания, так и высших типов колебаний ОР (TEM20q, TEMq). Недостатки сложность технологии изготовления протяженных решеток; большие омические потери в протяженной решетке снижают добротность колебаний в ОР; наблюдается утечка энергии вдоль канавок решетки и поперечные резонансы в канавках решетки; не удается снять вырождение колебаний с сопряженными индексами (например, TEM20q и TEM02q).
ГДИ с полусферическим ОР и одиночной решеткой
В первом варианте экспериментального ГДИ с полусферическим ОР (Шестопалов В.П. Скрынник Б.К., Балаклицкий Б.М., Курин В.Г., Третьяков О.А. 22) отражательная решетка в виде узкой полоски была расположена в центральной части плоского зеркала. Ленточный электронный пучок фокусировался внешним магнитным полем и пропускался вблизи решетки. Преимущества снижены омические потери в решетке; упрощена технология изготовления решетки; повышена селекция колебаний в ОР основной рабочий тип колебаний TEM20q, для которого границы центрального пятна поля совпадают с краями отражательной решетки. Недостатки плоское зеркало ОР представляет двухуровневую систему; для фазового согласования решетки с полем ОР необходимо проводить подъем решетки над поверхностью зеркала; генерация на основном TEM00qтипе колебаний с наименьшими дифракционными потерями не возникает.
В данной модификации ГДИ открытая резонансная система состоит из сферического и цилиндрического зеркал (СЦОР) 23. Узкая отражательная решетка расположена в центральной части цилиндрического зеркала, ленточный электронный пучок пропускается над решеткой, апертура зеркал вдоль движения электронного пучка ограничена. Преимущества повышена селекция колебаний за счет снятия вырождения колебаний с сопряженными индексами (например, TEM20q и TEM02q); повышена концентрация поля резонансного колебания на отражательной решетке. Не
достатки необходимо фазовое согласование одиночной решетки с полем ОР; генерация на основном TEMтипе колебаний с наименьшими дифракционными потерями не возникает.
а)Данная конструкция электродинамической системы является базовой для серии пакетированных ГДИ ММи субММдиапазонов, разработанных в ИРЭ НАН Украины. Она успешно повторена в исследованиях ГДИ, проведенных в США, Китае, ФРГ 1618. Фотография отпаянного макета ГДИ со сфероцилиндрическим ОР и одиночной отражательной решеткой приведена на рис. 4а боковые крышки прибора и электронная пушка сняты. Узел перемещения сферического зеркала герметизирован сильфоном, а узел связи ГДИ с нагрузкой выполнен в виде волноводнощелевого перехода и герметизирован слюдяным окном.