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 = + k z v z МЦАР Убитрон Черенковский генератор

Ленточный РЭП Ускоритель У-2 Нет ограничения на полный ток пучка

Требования к электродинамической системе МСЭ Транспортировка сильноточного РЭП на длину пространства взаимодействия Обеспечение высокой добротности только для моды, образованной волнами, бегущими под малым углом к направлению движения электронов Обеспечение пространственной когерентности излучения в сильно сверхразмерной системе Вывод излучения из канала распространения РЭП Одномерные брэгговские структуры (отрезки слабогофрированных волноводов) Двумерные брэгговские структуры (двоякопериодическая гофрировка) Брэгговский дефлектор волн

Структура и содержание диссертации Введение Глава 1. Установка ЭЛМИ. Схема эксперимента, основные параметры установки, используемые диагностики. Глава 2. Одномерные планарные брэгговские структуры. Отражатели, методика расчетов и измерений, одномерный резонатор для ЭЛМИ, результаты «горячих» экспериментов, отражатель на связи бегущей и квазикритической волн. Глава 3. Двумерные планарные брэгговские структуры. Отражатели, различные типы гофрировок, влияние примеси одномерного рассеяния, влияние боковых стенок, двумерный резонатор для ЭЛМИ, результаты «горячих» экспериментов. Глава 4. Комбинированный брэгговский резонатор. «Холодные» измерения, результаты «горячих» экспериментов, демонстрация одномодовой одночастотной генерации. Глава 5. Брэгговский дефлектор волн. Расчеты и оптимизация, «холодные» измерения, использование на установке ЭЛМИ. Заключение

Установка ЭЛМИ Изменение сечения пучка по мере продвижения в канале На входе в резонатор (z = 0) У коллектора (z = 135 см) Напряжение, U d 0,8–1 МВ Ток пучка, I b ~ 5 кА Сечение пучка в канале, S b ~ 0,4 12 см Длительность импульса, b ~ 5 мкс Ведущее магнитное поле, H || до 14 кЭ Ондуляторное магнитное поле, H до 2 кЭ Период ондулятора, d u 4 см 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 НапряжениеРезистивные делители Ток пучка на входе и на коллекторе Пояса роговского Мощность излученияПолупроводниковые детекторы на «горячих электронах» Спектральный состав излучения Запредельные волноводы; Волноводные полосовые фильтры, 1–3 ГГц; Квазиоптические сеточные фильтры, 0,5–1 ГГц; Резонансный волномер, 200 МГц; Гетеродинная схема, 10 МГц Движение плазмы в канале Световоды и оптические датчики Пространственное распределение излучения Панель из неоновых ламп

Одномерные планарные брэгговские структуры Поле внутри структуры: Уравнения связанных волн: Полоса рассеяния: Метод связанных волн Двухволновое приближение Собственные моды:

Одномерный планарный резонатор для МСЭ Моды Фабри-Перо: 4 мм, W 200 Дж, 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 ммd = 2 мм, a 0 = 10 мм, a 1 = 0,065 мм, l z = 183 мм

Связь бегущей и квазикритической 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. Метод связанных волн

Двумерные планарные брэгговские структуры Метод связанных волн Синусоидальная гофрировка Открытая двумерная структура Собственные моды: 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.

Двумерные планарные брэгговские структуры Гофрировка прямоугольными канавками Метод связанных волн Открытая двумерная структура с примесью одномерного рассеяния Собственные моды (l x = l z ) : Эволюция спектральных характеристик

Двумерный планарный резонатор для МСЭ 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. l x = l z = 180 мм, a 1 = 0,2 мм Спектр генерируемого излучения Filter 1 Filter 2 Filter 3

Двумерные планарные брэгговские структуры Шахматная гофрировка 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 V. A475, p. 287–295. Спектр генерируемого излучения

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 Появление «запертых» мод Эволюция спектра при изменении к-та отражения от боковых стенок R=0.0 R=-0.2 R=-0.4 R=-0.6 R=-0.8 R=-1.0 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. К-т отражения ,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 Sine corrugation Chess-board corrugation синусоидальная нарезка шахматная нарезка f, ГГц ,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 f, ГГц К-т отражения Sine corrugation Chess-board corrugation синусоидальная нарезка шахматная нарезка Результаты «горячих» экспериментов ,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 f, ГГц Спектральная плотность

Двумерные планарные брэгговские структуры Подавление «запертых» мод. Петля связи Рассеиватель

Возможности использования поперечных потоков Создание суб-мм генератора Многоканальный МСЭ 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. Стабилизация частоты излучения

Комбинированный планарный резонатор 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. Основная «продольная» мода «Запертые» моды

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– 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– 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 V. A475, p. 287– 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– 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– 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– 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– 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– 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– 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.