На правах рукописи

Щегольков Дмитрий Юрьевич

КВАЗИОПТИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА

НА ОСНОВЕ ГОФРИРОВАННЫХ ЗЕРКАЛ

ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ МОЩНЫМИ
МИКРОВОЛНОВЫМИ ПОТОКАМИ

01.04.03 - радиофизика

А в т о р е ф е р а т

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Нижний Новгород - 2007

Работа выполнена в Институте прикладной физики РАН,

г. Нижний Новгород

Научные руководители:

М.И. Петелин,

доктор физико-математических наук

С.Н. Власов

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук

А.А. Жаров

кандидат физико-математических наук

А.М. Горбачев

Ведущая организация:

ОАО "Радиофизика", г. Москва

Защита состоится л___ мая 2007 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Да002.069.02 в Институте прикладной физики РАН по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Института прикладной физики РАН.

Автореферат разослан л___ апреля 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор физико-математических наук

профессор Ю.В.аЧугунов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ

Актуальность темы диссертации. Работа ориентирована на создание новых эффективных элементов для систем, основанных на использовании мощных потоков когерентного электромагнитного излучения с частотами 1010Ц1012 Гц в таких приложениях, как

• радары с высокой разрешающей способностью,
• многоканальная космическая связь,
• электронно-циклотронный резонансный нагрев и стабилизация плазмы в установках управляемого термоядерного синтеза,
• инейные ускорители заряженных частиц,
• микроволновая обработка материалов.

Для транспортировки мощных потоков излучения указанного диапазона стандартные (с поперечным сечением порядка длины волны) волноводные устройства из-за повышенных омических потерь, высокочастотного пробоя, термической усталости металла непригодны и должны быть заменены квазиоптическими аналогами.

Для управления квазиоптическими волновыми потоками могут быть использованы отражательные дифракционные металлические гребенки. Такие гребенки уже длительное время используются в оптике для разделения-объединения волновых пучков, преобразования поляризации волн, компрессии импульсов, спектрального анализа излучения, но их использование в диапазоне миллиметровых волн требует решения ряда специфических проблем.

Цель диссертационной работы состояла:

- в разработке новых и доработке уже известных электропрочных высокоселективных безотражательных устройств на основе металлической отражательной дифракционной решетки для управления квазиоптическими микроволновыми потоками, а именно:

1. фазоуправляемого сумматора-коммутатора Уmagic YФ,
2. зеркальных резонаторных компрессоров импульсов с удобной конфигурацией ввода-вывода излучения,
3. компрессора коротких импульсов на основе зеркальной резонансной линии задержки,
4. узкополосных диплексеров для частотного сканирования квазиоптических пучков.

- в расчете и экспериментальной реализации этих и других (известных) устройств, содержащих дифракционную решетку в качестве ключевого элемента, с последующей опытной проверкой.

Научная новизна:

1. Теоретически исследованы суммирование и коммутация некомпланарных взаимно когерентных волновых пучков конечного сечения на отражательных дифракционных решетках. Рассчитан и экспериментально реализован фазоуправляемый бинарный сумматор-коммутатор на частоте 34аГГц.
2. Аналитически исследованы особенности некомпланарного внутрирезонаторному пучку ввода-вывода энергии в кольцевых резонаторах с нечетным и четным числом зеркал, одно или несколько зеркал которых гофрированы. Показаны преимущества четырехзеркальной системы по сравнению с трехзеркальной.
3. Рассчитано несколько вариантов зеркальных компрессоров микроволновых импульсов (типа SLED = Stanford Linac Energy Doubler), в том числе с линейной частотной модуляцией входного импульса. Учтены эффекты, связанные с конечной длиной резонансной системы и конечной величиной ее связи с линией передачи. Несколько компрессоров (в том числе компрессор предельно коротких для выбранной длины резонансной линии импульсов) испытано на частоте 34 ГГц.
4. Рассчитаны и продемонстрированы на малом уровне мощности узкополосные диплексеры на основе четырехзеркального резонатора. Один из них, с резонансной частотой вблизи 140 ГГц, испытан на гиротронном комплексе стелларатора W7-X.

Практическая значимость диссертационной работы. Фазоуправляемые сумматоры-коммутаторы могут быть использованы в системах питания будущих линейных электрон-позитронных коллайдеров. Компрессоры микроволновых импульсов могут быть использованы при исследовании воздействия мощного импульсного излучения на различные вещества и электродинамические компоненты. Четырехзеркальный резонатор с одним гофрированным зеркалом может быть использован в качестве накопительного кольца - безотражательного плазменного реактора. Диплексеры на основе четырехзеркального резонатора с двумя гофрированными зеркалами могут быть использованы в радарах с синтезированной полосой частот, системах многоканальной дальней космической связи и системах подавления магнитогидродинамических неустойчивостей плазмы в токамаках.

Публикации и апробация результатов. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в работах [1а-15а] и докладывались на 7-ой Международной конференции по плотным потокам энергии и мощному излучению диапазона СВЧ (2005, Каламата, Греция), на 14-ой Объединенной конференции по электронно-циклотронной эмиссии и электронно-циклотронному резонансному нагреву (2006, Санторини, Греция), на XXII Международной конференции по линейным ускорителям УLINAC-2004Ф (2004, Любек, Германия), на VI международной конференции "Мощные микроволны в плазме" (2005, Нижний Новгород), на 31-ой Международной конференции по инфракрасным и миллиметровым волнам и терагерцовому излучению (2006, Шанхай, КНР), на Всероссийском семинаре по радиофизике миллиметрового и субмиллиметрового диапазона (2005, Нижний Новгород), на 18-ом Совместном российско-германском семинаре по электронно-циклотронному нагреву и гиротронам, на X и XI Нижегородских сессиях молодых ученых (2005, 2006), на конкурсе молодых ученых (2005) и внутренних семинарах Института прикладной физики РАН (2002, 2004Ц2006).

ичный вклад автора. Все приведенные в диссертации результаты получены либо автором лично, либо при его непосредственном участии. Причем, первое относится в большей степени к теоретическим исследованиям, численному расчету, эскизному проектированию макетов устройств и обработке экспериментальных данных, а последнее - непосредственно к проведению экспериментальных исследований.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, четырех приложений и заключения. Объем диссертации составляет 150 страниц, включая 86 страниц основного текста, 56 рисунков, размещенных на 56 страницах, и список литературы, приведенный на 8 страницах и состоящий из 80 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении описывается современное состояние рассматриваемых в диссертации проблем, освещается тенденция перехода на большие частоты и большие мощности в микроволновой технике и связанная с ней проблема необходимости качественного изменения устройств управления микроволновыми потоками. Делается вывод о целесообразности разработки и применения квазиоптических устройств управления мощным высокочастотным излучением, в основе принципа действия которых лежат свойства металлических дифракционных решеток. Обосновывается актуальность темы диссертационной работы и ее практическая значимость, кратко излагается содержание работы.

В главе I диссертации сделан обзор дифракционных свойств металлических периодически гофрированных зеркал.

В п.I.1 приводится теория дифракции плоской монохроматической волны на дифракционной решетке. Поле рассеяния плоской волны на решетке можно представить в виде конечного набора отраженных плоских волн, ответственных за перенос энергии, и счетного числа волн, экспоненциально прижатых к решетке. Число отраженных волн зависит от периода решетки, угла падения и частоты исходной волны, а их интенсивности - еще от формы и глубины гофра, поляризации волны. Волны Е (магнитное поле перпендикулярно канавкам гофра) и H (электрическое поле перпендикулярно канавкам гофра) -поляризованные относительно гофра при дифракции не связываются. Для нахождения рассеянного поля нужно решать двумерное уравнение Гельмгольца с граничными условиями Дирихле и Неймана для волн E и H типа соответственно. Численно задачу решают методом интегрального уравнения. Пучок конечного сечения представим в виде непрерывного набора плоских волн, для каждой из которых рассеянное поле можно найти упомянутым выше способом. Подбором параметров гофра и падающей волны можно, например, получить наиболее часто используемый на практике случай, когда существуют только две отраженные волны - зеркальная и (Ц1)-го порядка с желаемым соотношением мощностей.

В п.I.2 рассматриваются варианты использования дифракционных решеток для управления квазиоптическими потоками. Решетки могут выполнять большинство функций по управлению излучением, близких к тем, которыми обладают стандартные волноводные устройства управления, используемые на относительно низких частотах, а именно, они могут использоваться в качестве: поляризаторов, частотных фильтров, поляризационных сепараторов, делителей и сумматоров когерентных пучков, нерезонансных мультиплексеров, компрессоров импульсов (обычно в паре) и элементов связи с квазиоптическим резонатором. На коротких (миллиметровых и субмиллиметровых) микроволнах решетки обладают преимуществом над закрытыми волноводными системами вследствие более низких омических потерь и способности выдерживать большие мощности.

Глава II посвящена исследованию фазоуправляемого сумматора-коммутатора Уmagic YФ. Один из способов повышения эффективности и увеличения мощности линейных ускорителей заряженных частиц состоит в использовании линии задержки с взаимно сфазированными микроволновыми источниками, работающей поочередно на запитку разных ускоряющих секций (Delay Line Distribution System). Для управления волновыми потоками в этой системе нужны фазоуправляемые сумматоры-коммутаторы. Для квазиоптического ускорителя, работающего на частоте 30 ГГц и выше, в [Petelin M.I., Caryotakis G., Tolkachev A.A. et al. Quasi-Optical Components for MMW Fed Radars and Particle Accelerators // High Energy Density Microwaves. Ed. by R.M. Phillips. 1998 AIP Conf. Proc. 474. NY. 1998. P. 304 - 315] было предложено в качестве такого устройства использовать 3 дБ металлическую дифракционную решетку - Уmagic YФ (аналог волноводного Уmagic TФ). Амплитуда гофра и период подбираются так, что для приходящих на нее пучков есть лишь зеркальный и (Ц1)-ый, являющийся антизеркальным, отраженные лучи равной мощности. Подбором разницы фаз между суммируемыми пучками можно получать пучок удвоенной мощности, распространяющийся в любом из двух альтернативных направлений (рис. 1).

Рис. 1. УMagic YФ: волновой сумматор-коммутатор. Вид на решетку сверху. При смене разности фаз между исходными волнами на,, суммарная волна пойдет в альтернативном направлении, соответствующем пунктирной стрелке.

В п.II.1 приводится теория суммирования и коммутации пучков конечных сечений. Используя представление падающего пучка в виде набора плоских волн, находится поле отраженных пучков в интегральной форме. При получении окончательных выражений для отраженных пучков используется разложение в ряд Тейлора для волновых векторов плоских волн и комплексных коэффициентов отражения по углам в декартовой системе координат, привязанной к пучку, с сохранением первых нескольких членов разложения. Рассчитываются рабочая полоса частот и дифракционные потери при коммутации гауссовых пучков наиболее практичной эллиптической формы, соответствующей круглой засвечиваемой на решетке области. Предлагается более общая, чем Уmagic YФ, конфигурация сумматора-коммутатора, частным случаем которой является реализация, когда все пучки находятся в одной плоскости.

В п.II.2 описывается демонстрационный эксперимент, выполненный на частоте 34 ГГц и показавший высокую эффективность данного устройства (96% с учетом потерь во вспомогательной зеркальной системе согласования).

Коммутатор также может использоваться для изоляции микроволнового источника от излучения, отраженного от нагрузки. Из двух решеток типа Уmagic YФ и линии задержки может быть составлен интерферометр и использован для сложения разночастотных сигналов в один канал и частотного сканирования суммарного пучка между двумя выходами.

Главы IIIЦV посвящены устройствам на основе кольцевых многозеркальных резонаторов, возбуждаемых посредством одного или нескольких общих с квазиоптическими линиями передачи гофрированных зеркал. Подробно в них рассматриваются резонансные компрессоры микроволновых импульсов и узкополосные частотные диплексеры.

В главе III приводится теория многозеркальных резонаторов с некомпланарной внутрирезонаторному пучку организацией ввода-вывода излучения и метод расчета динамики полей внутри и на выходе резонатора, учитывающий конечное время обхода волной резонатора и применимый, в том числе, для очень низкодобротных резонансных систем.

Рис. 2. Кольцевой безотражательный симметричный четырехзеркальный резонатор, связанный с квазиоптической линией передачи с помощью лучей (Ц1)-го дифракционного порядка: входного, совпадающего с, и выходного, совпадающего с. GM - гофрированное зеркало, FM - плоское зеркало, PM - параболоидные зеркала. Стрелками показано направление волновых потоков, все углы падения и отражения равны 45.