1.8 Генератори дифракційного випромінювання

Генератори дифракційного випромінювання (ГДB) є порівняно новими перспективними джерелами електромагнітного випромінювання міліметрового (ММ) і субміліметрового (субмм) діапазонів довжин хвиль. Їх робота базується на фізичному явищі когерентного дифракційного випромінювання електронного пучка, рухомого поблизу періодичної структури, а як резонансна система використовується високодобротний відкритий резонатор (ВР). ГДB вигідно відрізняються від інших вакуумних джерел О- типу мм і субмм діапазонів довжин хвиль високою стабільністю частоти, вузьким спектром вихідного сигналу, низьким рівнем шумів, широким діапазоном електромеханічної перебудови і порівняно великим рівнем вихідної потужності. У таких генераторах здійснюється розподілена взаємодія електронних пучків із полями періодичних структур при використанні для енергообміну об'ємних електромагнітних хвиль в просторово-розвинених відкритих електродинамічних системах. Ці системи дозволяють здолати принципову перешкоду, що виникає в класичних генераторах при зменшенні довжини хвилі.

Завдяки унікальним властивостям вихідного сигналу ГДB знаходять широке застосування в наукових дослідженнях, зокрема, для діагностики плазми, в радіоспектроскопії, для накачування квантових парамагнітних підсилювачів хвилі мм діапазону, для забезпечення динамічної поляризації ядерних мішеней, в когерентній радіолокації, в пристроях неруйнівного контролю виробів і в технологічних процесах.

Розгледимо будову ГДB і фізичні принципи, закладені в основу його роботи. Відкрита резонансна система (ВРС) для типового ГДB (рис. 18) складається з дводзеркального ВР, утвореного сферичним дзеркалом 1 і плоским (циліндричним) дзеркалом 2. Сферичне дзеркало містить елемент зв'язку з навантаженням, а на плоскому (циліндровому) дзеркалі в центральній частині розміщена обмежена по ширині періодична структура. (У оротрона періодична структура покриває всю поверхню плоского дзеркала півсферичного ВР, а циліндрові дзеркала не використовуються зовсім.) Електронна гармата формує стрічковий електронний пучок з початковою швидкістю електронів v_e, який потім рухається поблизу періодичної структури і утримується від розпадання подовжнім магнітним полем.

Р исунок 18. Схема електродинамічної системи ГДИ (а) та взаємне розташування дисперсійних характеристик режимів «ГДВ» та «ЛЗХ»

У мова випромінювання для швидких хвиль, що виникають при дифракції власного поля електронів пучка на періодичній структурі, має вид:

де λ – довжина хвилі випромінювання, l – період структури, m = 1, 2, 3 – номер гармоніки швидких хвиль, с–швидкість світла, φ – кут дифракційного випромінювання (рис. 18а).

Для малих кутів дифракційного випромінювання (φ ≈ 0 и φ ≈ π), що генеруються пучком з попередньої модуляцією по щільності на частоті ω_mod = 2πc/λ, швидкість пучка повинна складати

Так як кутовий спектр плоских хвиль, що утворюють гаусівське розподілення власного коливання відкритого резонатора, сконцентрований поблизу вісі резонатора, то для ефективної живлення резонансного коливання в ГДВ кут дифракційного випромінювання електронного пучка повинен складати φ ≈π/2.

П ри цьому швидкість електронного пучка повинна задовольняти наступному співвідношенню:

Для збудження коливань в ГДВ необхідне виконання умов так званого «потрійного» резонансу:

а) «часовий» резонанс – частота «випадкової» модуляції щільності електронного пучка (або її гармоніка) повинна збігатися з частотою власного s- коливання у ВР nω_mod = ωs;

б) «просторовий» резонанс – кут дифракційного випромінювання повинен відповідати одному з максимумів в кутовому спектрі плоских хвиль, створених s-коливання у ВР (наприклад, φ ≈π/2);

в) резонанс швидкостей або фазовий синхронізм – швидкість електронного пучка (точніше швидкість повільної хвилі просторового заряду в пучку) повинна дорівнювати фазовій швидкості одній з повільних просторових гармонік електричного поля s- коливання, зосередженого поблизу періодичної структури.

Для встановлення моменту самозбудження ГДВ, що характеризується перевищенням потужності дифракційного випромінювання над потужністю втрат у ВР, зазвичай використовують параметр «стартового» струму електронного пучка Ist.

Слід зазначити, що саме наявність «потрійного» резонансу у фізичному принципі дії ГДВ, а також розміщення вузла зв'язку далеко від електронного пучка, забезпечує високу якість вихідного сигналу – високу короткочасну стабільність частоти, вузьку ширину спектральної лінії і низький рівень шумів.