Мощные мазеры на свободных электронах с одномерной и двумерной распределенной обратной связью тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.04, доктор физико-математических наук Песков, Николай Юрьевич

• Песков, Николай Юрьевич
• доктор физико-математических наук
• 2011

Оглавление диссертации доктор физико-математических наук Песков, Николай Юрьевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. МСЭ-ГЕНЕРАТОРЫ С ОДНОМЕРНОЙ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ

ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ.

1.1. Особенности электронно-волнового взаимодействия в

МСЭ с ведущим магнитным полем.

1.2. Динамика МСЭ с одномерной распределенной обратной связью. а) одночастотные и многочастотных режимы генерации в МСЭ с брэгговскими резонаторами различных типов. б) режим стартовой моды. в) эффект расщепления рабочей моды в сверхразмерном брэгговском резонаторе со скачком фазы гофрировки.

1.3. Экспериментальные исследования 30-ГГц МСЭ-генератора с одномерной распределенной обратной связью. а) сравнение режимов работы МСЭ с прямым и обратным ведущим магнитным полем. б) экспериментальное наблюдение конкуренции продольных мод в МСЭ с двухзеркальным брэгговским резонатором. в) высокоэффективный МСЭ на основе резонатора со скачком фазы гофрировки. г) механическая перестройка частоты излучения в МСЭ-генераторе с брэгговским резонатором. д) исследование группировки частиц в МСЭ. е) эффект расщепления мод в МСЭ со сверхразмерным брэгговским резонатором.

1.4. Использование ОИЯИ-ИПФ МСЭ-генератора для исследования теплового ресурса меди.

1.5. Продвижение МСЭ в коротковолновые диапазоны на основе модифицированных брэгговских резонаторов, использующих связь бегущих и квазикритических мод.

ГЛАВА 2. МСЭ-ГЕНЕРАТОРЫ С ДВУМЕРНОЙ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ

ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ ПЛАНАРНОЙ ГЕОМЕТРИИ.

2.1. Модель и основные уравнения, описывающие рассеяние волн на планарной двумерной брэгговской структуре.

2.2. Электродинамические свойства двумерных брэгговских резонаторов планарной геометрии.

2.3. «Холодные» измерения двумерных брэгговских резонаторов планарной геометрии.

2.4. Пространственная синхронизация излучения в планарных МСЭ с двумерной распределенной обратной связью. а) МСЭ с односекционным двумерным брэгговским резонатором. б) МСЭ с комбинированным резонатором, составленным из одномерного и двумерного брэгговских зеркал. в) многопучковый планарный МСЭ-генератор.

2.5. Экспериментальное исследование 75-ГГц МСЭ с ленточным релятивистским электронным пучком и двумерной распределенной обратной связью. а) МСЭ на основе двухзеркального резонатора с двумерными брэгговскими отражателями. б) МСЭ с комбинированным резонатором, составленным из одномерного и двумерного брэгговских зеркал.

ГЛАВА 3. МСЭ-ГЕНЕРАТОРЫ С ДВУМЕРНОЙ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ

ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ КОАКСИАЛЬНОЙ ГЕОМЕТРИИ.

3.1. Модель и основные уравнения, описывающие двумерный брэгговский резонатор коаксиальной геометрии.

3.2. Особенности спектра мод двумерных брэгговских резонаторов коаксиальной геометрии. а) дисперсионные характеристики нормальных волн двоякопериодически гофрированных коаксиальных волноводов. б) селекция мод в двумерных брэгговских резонаторах коаксиальной геометрии.

3.3. Динамика коаксиальных МСЭ-генераторов с двумерной распределенной обратной связью. а) МСЭ с односекционным двумерным брэгговским резонатором. б) МСЭ на основе двухзеркального резонатора с двумя двумерными брэгговскими отражателями. в) коаксиальный МСЭ с комбинированным резонатором, состоящим из одномерного и двумерного брэгговских зеркал.

3.4. Экспериментальное исследование 37-ГГц МСЭ с трубчатым релятивистским электронным пучком и двумерной распределенной обратной связью.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Мощные мазеры на свободных электронах с одномерной и двумерной распределенной обратной связью»

Актуальность темы диссертации. Создание мощных импульсных источников миллиметрового и субмиллиметрового излучения является актуальной задачей электроники больших мощностей. Потребность в таких источниках обусловлена рядом фундаментальных задач и практических приложений, включая физику плазмы и твердого тела, фотохимию, биофизику, спектроскопию, визуализацию скрытых объектов, исследование свойств различных сред и синтез новых материалов, исследование свойств атмосферы, ускорительные приложения и т.д.

В настоящее время наибольшая мощность излучения получена с помощью гиротронов [1,2], которые при использовании субрелятивистских (до 100 кэВ) электронных пучков позволили освоить миллиметровый диапазон на мегаваттном уровне мощности [3 - 6] и продвинуться в субмиллиметровый диапазон с мощностью в десятки киловатт [7, 8]. Перспективными источниками, способными обеспечить в указанных диапазонах узкополосное излучение с мультимегаваттным (~ 10 - 103 МВт) уровнем мощности, являются лазеры (мазеры) на свободных электронах (ЛСЭ, МСЭ) [9-14]. Принцип работы ЛСЭ (МСЭ) основан на вынужденном ондуляторном излучении (излучении в периодическом магнитостатическом поле) релятивистских электронных пучков (РЭП) в условиях доплеровского преобразования частоты [15 - 20]. Это позволяет получать излучения на частотах, существенно превосходящих частоту колебаний частиц. Таким образом, по частоте излучения ЛСЭ занимают довольно обширную область от рентгеновского, ультрафиолетового, оптического и инфракрасного [21-40] до терагерцового диапазонов [41-52], а МСЭ -субмиллиметровый, миллиметровый и сантиметровый диапазоны [53 - 82].

Для достижения больших импульсных мощностей в микроволновом диапазоне при запитке МСЭ используются сильноточные (-0.1 - ЮкА) РЭП с умеренной энергией частиц (~ 0.5 - 1.5 МэВ). Формируются эти пучки либо ускорителями прямого действия, либо линейными индукционными ускорителями. Мощность таких пучков достигает ~0.1 - ЮГВт, а фокусировка и транспортировка в области взаимодействия, как правило, осуществляется ведущим магнитным полем. Проведенные теоретические [83 - 102, 1А - 8А] и экспериментальные [61 - 78, 9А - 17А] исследования показали, что наличие этого поля существенно влияет как на процесс формирования винтовых РЭП, так и на работу МСЭ.

Среди основных конкурентов МСЭ, также использующих доплеровское преобразование частоты, следует упомянуть мазеры на циклотронном авторезонансе (МЦАР) - генераторы, основанные на циклотронном излучении магнитонаправляемых РЭП [62, 103 - 106]. Достаточно продолжительное время оба этих прибора являлись объектом интенсивных экспериментальных исследований. Однако, как было установлено в результате этих исследований [69 - 72, 10А, 11 А], а затем подтверждено численным моделированием [8А], МСЭ с ведущим магнитным полем обладают значительно меньшей критичностью к разбросу параметров по сравнению с МЦАР и, таким образом, преимущественны с точки зрения получения большей эффективности и мощности излучения.

Традиционными электродинамическими системами МСЭ-генераторов в настоящее время стали брэгговские резонаторы, выполненные в виде отрезков волноводов со слабой однопериодической гофрировкой стенок («одномерные» брэгговские резонаторы) [62,107-110]. В традиционном варианте одномерной распределенной обратной связи (РОС), как и в предшествующих оптических аналогах [111, 112], имеет место связь двух встречно-распространяющихся волн, обладающих значительной групповой скоростью. Достоинством брэгговских резонаторов является совместимость с системами транспортировки сильноточных РЭП и селективность обратной связи, которая имеет место только в узком частотном интервале вблизи брэгговской частоты. Использование брэгговских резонаторов позволило успешно реализовать узкополосные МСЭ [61, 62, 74 - 78, 9А - 17А] и МЦАР [105, 106] генераторы в длинноволновой части мм-диапазона. Одним из наиболее законченных проектов в указанном классе приборов является разработанный в совместных экспериментах ОИЯИ (Дубна) и ИПФ РАН 30-ГГц МСЭ-генератор [10А, 11 А]. Достигнутый уникальный набор параметров излучения (мощность, длительность, стабильность одномодового режима) позволил использовать указанный генератор в ряде физических и инженерных приложений [44А, 45А].

Однако во всех перечисленных экспериментах поперечные размеры брэгговских резонаторов, реализующих одномерную РОС, составляли не более нескольких (1-2) длин волн излучения, а генерируемая мощность не превышала десятков мегаватт. Дальнейшее увеличение поперечных размеров таких электродинамических систем сопряжено с потерей их селективности. Вместе с тем увеличение мощности СВЧ генераторов требует перехода к существенно более сверхразмерным электродинамическим системам.

Одним из возможных путей увеличения мощности выходного излучения МСЭ при сохранении средней плотности мощности может быть развитие пространства взаимодействия вдоль одной из поперечной координат и использование сильноточных РЭП ленточной и трубчатой конфигурации. В настоящий момент реализованы подобные пучки с характерными поперечными размерами до 102 см и запасом энергии ~ 102 - 103 кДж [113 - 116]. Очевидно, что для микроволнового диапазона ширина этих пучков на несколько порядков превосходит длину волны, и при создании генераторов на основе подобных пучков на первый план выступает проблема обеспечения режима одномодовой генерации в условии существенной сверхразмерности пространства взаимодействия.

В электронике СВЧ накоплен достаточно большой опыт эффективного решения проблемы электродинамической и электронной селекции мод [117-121]. Одним из наиболее успешных решений явилось использование квазиоптических резонаторов в виде отрезков слабонерегулярных волноводов, в которых электронный поток возбуждает моды на квазикритических частотах. Такой метод селекции широко применяется в гиротронах [1, 2] и оротронах [122, 123] и позволяет использовать в этих приборах существенно сверхразмерные электродинамические системы. Так в современных мощных гиротронах одномодовая генерация реализована при диаметре резонатора, составляющем до 20 - 30 длин волн [3 - 6]. Однако в МСЭ и ЛСЭ, работающих на быстрых, распространяющихся вдоль электронного потока, волнах, эти методы селекции не применимы.

Эффективная селекция мод в МСЭ с поперечно-развитым пространством взаимодействия может быть достигнута путем использования двумерной распределенной обратной связи, реализуемой с помощью так называемых «двумерных» брэгговских резонаторов [65А, 66А]. Эти резонаторы представляют собой отрезки планарных или коаксиальных волноводов с двоякопериодической гофрировкой. На такой гофрировке оказываются связанными четыре парциальные волны, две из которых распространяются вдоль поступательного движения электронов и во встречном направлении (подобно традиционным брэгговским резонаторам [107-112]), а две другие - в поперечном (азимутальном) направлении. Включение в цепь обратной связи поперечно-распространяющихся волновых потоков позволяет обеспечить эффективную селекцию мод по поперечному (азимутальному) индексу (по «широкой» поперечной координате) и пространственную когерентность излучения пространственно-развитых РЭП ленточной или трубчатой геометрии. Одновременно, параллельные электронному потоку пластины двумерного резонатора, как и их одномерные аналоги, позволяют осуществить устойчивую транспортировку сильноточных РЭП в ведущем продольном магнитном поле. Согласно результатам моделирования, в МСЭ планарной и коаксиальной геометрии с двумерной РОС при оптимальных условиях возможно обеспечение стабильного режима одномодовой генерации при поперечных размерах системы, достигающих 102 - 103 длин волн [78А - 82А, 109А-112А]. Работоспособность нового механизма обратной связи в миллиметровом диапазоне подтверждена экспериментально в совместных экспериментах ИПФ РАН, ИЯФ СО РАН (Новосибирск), Стратклайдского университета (г.Глазго, Великобритания) и Исследовательского центра Карлсруе (Германия) для обеих упомянутых выше геометрий при сверхразмености систем до 25 длин волн [98А - 100А, 118А].

Следует отметить, что в последние годы значительный интерес проявляется к исследованию так называемых фотонных кристаллов [124, 125], представляющих собой диэлектрические структуры с двумерной или трехмерной периодичностью. Для фотонных кристаллов характерна глубокая модуляция диэлектрической проницаемости, в результате которой в подобных структурах возникают зоны непрозрачности при произвольном направлении распространения волны (которые аналогичны запрещенным зонам в твердом теле). В таких условиях введение дефектов периодичности приводит к появлению локализованных вблизи дефекта собственных мод, частоты которых лежат внутри зоны непрозрачности. Отличительной особенностью двумерных брэгговских структур является малая вариация параметров (глубина гофра или модуляция диэлектрической проницаемости). При этом глобальной запрещенной зоны не образуются (указанные структуры прозрачны при всех углах падения внешней волны, за исключением лежащих вблизи направления распространения четырех парциальных волн), однако высокодобротные моды в окрестности брэгговской частоты возникают в отсутствие дефектов периодичности [75А, 76А]. При этом наряду с высокой селективностью важным достоинством двумерных брэгговских структур является пространственная структура фундаментальной моды, которая достаточно равномерно распределена по объему, а не сосредоточена вблизи дефекта. Эта обстоятельство позволяет обеспечить эффективное взаимодействие с пространственно-развитыми активными средами, включая электронные пучки ленточной и трубчатой геометрии.

В то же время, задача укорочения длины волны излучения требует развития пространства взаимодействия и по второй («узкой») поперечной координате. Данная проблема может быть решена на основе модифицированных брэгговских резонаторов, использующих связь квазикритических и распространяющихся мод [47А, 48А]. В этой схеме МСЭ электронный поток в условиях большого доплеровского преобразования частоты усиливает попутную волну, которая брэгговской структурой связана с квазикритической волной, обеспечивающей самовозбуждение генератора и селекцию мод по поперечному индексу. Это позволяет объединить присущее мазерам на свободных электронах большое доплеровское преобразование частоты и присущую гиротронам и оротронам селективность по поперечным индексам мод, которая в указанной схеме сохраняется до поперечных размеров системы ~ 10 - 20 длин волн [53А, 63А]. Представляет интерес также использование гибридных резонаторов, составленных из двумерного и модифицированного брэгговских зеркал. Комбинация механизмов селекции, реализуемых в данных структурах, позволяет обеспечить развитие системы по обеим поперечным координатам. На базе существующих пучков использование новых принципов обратной связи позволяет в перспективе реализовать узкополосные генераторы микроволнового излучения с гигаваттным уровнем мощности.

Целью диссертационной работы является теоретическое и экспериментальное исследование МСЭ с одномерной и двумерной распределенной обратной связью на основе сильноточных магнитонаправляемых РЭП, поиск путей увеличения их мощности, повышения КПД и обеспечения устойчивости режима узкополосной одномодовой генерации. В рамках этой задачи в настоящей работе были проведены:

- исследование условий формирования винтовых РЭП в комбинированном -ондуляторном и ведущем - магнитном поле и особенностей электронно-волнового взаимодействия в МСЭ с магнитонаправляемыми РЭП;

- исследование возможности улучшения селективных свойств брэгговских резонаторов в условиях большой сверхразмерности;

- исследование пространственно-временной динамики и условий установления одномодовых и многомодовых режимов в МСЭ-генераторах с одномерной и двумерной РОС;

- реализация макетов мощных узкополосных МСЭ-генераторов с брэгговскими резонаторами различных типов в миллиметровом диапазоне длин волн;

- исследование возможности использования брэгговского МСЭ-генератора в ускорительных приложениях.

Научная ценность и новизна результатов:

1. Построена нелинейная теория МСЭ с ведущим магнитным полем, основанная на использовании усредненного описания движения частиц. Исследованы особенности формирования винтовых РЭП и их энергообмена при различных соотношениях между гиро- и баунс-частотами. Найдены оптимальные режимы работы МСЭ, продемонстрирована возможность увеличения их эффективности.

2. Теоретически и экспериментально исследованы условия реализации одномодовой и многомодовой генерации в МСЭ с одномерными брэгговскими резонаторами различных типов. При умеренной поперечной сверхразмерности (1-2 длины волны) показаны преимущества использования брэгговского резонатора со скачком фазы гофрировки с точки зрения повышения КПД и устойчивости одномодовой генерации.

3. Продемонстрирована возможность работы брэгговского МСЭ-генератора на высокодобротную резонансную нагрузку. На основе 30-ГГц МСЭ реализован стенд для исследования свойств материалов под воздействием мощных ВЧ-импульсов.

4. Проведен анализ электродинамических свойств и «холодное» тестирование новых типов брэгговских резонаторов, в том числе, двумерных брэгговских резонаторов и модифицированных резонаторов, основанных на связи бегущих и квазикритических волн. Показаны их преимущества перед традиционными аналогами с точки зрения поддержания селективности в условиях существенной свехразмерности пространства взаимодействия.

5. Исследована возможность использования двумерной РОС для получения мощного пространственно-когерентного излучения в генераторах, запитываемых широкими (в масштабе длины волны) ленточными и трубчатыми РЭП. Развита концепция сверхмощных МСЭ-генераторов с двумерной РОС на основе подобных пучков.

6. В миллиметровом диапазоне длин волн продемонстрирована работоспособность новых схем МСЭ с одномерной и двумерной РОС.

Практическое значение работы. Результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований привели к созданию МСЭ с рекордными параметрами излучения. Данные генераторы могут быть использованы в ряде фундаментальных и инженерных приложений. На основе реализованного ОИЯИ-ИПФ МСЭ разработан стенд для исследования свойств материалов под воздействием мощных микроволновых импульсов.

Полученные в процессе выполнения диссертационной работы результаты могут быть также использованы при разработке других мощных узкополосных электронных мазеров, а также при создании высокоселективных электродинамических систем мм и суб-мм диапазонов.

Положения, выносимые на защиту:

1. В МСЭ-генераторах на основе интенсивных магнитонаправляемых релятивистских электронных пучков, обладающих значительным разбросом параметров, оптимальными с точки зрения получения высокого электронного КПД являются режимы, удаленные от циклотронного резонанса, в том числе, режим обратного ведущего поля.

2. В МСЭ с двухзеркальными резонаторами на основе традиционных брэгговских зеркал, в которых имеет место связь двух встречно-распространяющихся волн (МСЭ с одномерной распределенной обратной связью), одномодовый режим генерации устанавливается в результате нелинейной конкуренции мод и при изменении параметров пучка носит мультистабильный характер. Использование брэгговского резонатора со скачком фазы гофрировки позволяет при поперечной свехразмерности пространства взаимодействия 1 - 2 длины волны обеспечить устойчивый режим одномодовой генерации с КПД до 20 - 30%.

3. В качестве электродинамических систем мощных МСЭ-генераторов, работающих в коротковолновой части миллиметрового и субмиллиметровом диапазонах, могут быть использованы модифицированные брэгговские резонаторы, основанные на связи бегущих и квазикритических волн. Наличие в цепи обратной связи квазикритических волн позволяет улучшить селективные характеристики по сравнению с традиционными аналогами и обеспечить режим стабильной одномодовой генерации в МСЭ при сверхразмерности пространства взаимодействия до 10 длин волн, достаточной для транспортировки интенсивных релятивистских пучков.

4. При использовании двумерных брэгговских резонаторов планарной и коаксиальной геометрии с неглубокой двоякопериодической гофрировкой поверхности могут быть реализованы мощные МСЭ-генераторы с двумерной распределенной обратной связью. Возникающие в такой системе поперечные (по отношению к направлению распространения электронного пучка) волновые потоки позволяют синхронизовать излучение релятивистских электронных пучков ленточной и трубчатой геометрии с поперечными размерами, достигающими 102 - 103 длин волн. 5. Экспериментально показано, что комбинация методов селекции и управления волновыми потоками, реализуемых в одномерных и двумерных брэгговских структурах, позволяет обеспечить узкополосную одномодовую генерацию в МСЭ на основе интенсивных релятивистских электронных пучков и реализовать когерентные источники микроволнового излучения мультимегаваттного уровня мощности.

Использование результатов работы. Результаты работы использованы в экспериментах с МСЭ, проводимых в ИПФ РАН, ОКЯИ (г. Дубна), ИЯФ СО РАН (г. Новосибирск), Стратютайдском университете (г. Глазго, Великобритания), Университете г. Каназава (Япония) и др., в холодных исследованиях двумерных брэгговских структур, проводимых в ИПФ РАН и Исследовательском центре Карлсруе (Германия), а также при выполнении работ по грантам РФФИ (№№ 94-02-04481, 97-0217379, 98-02-17665, 00-02-17232, 01-02-16749, 02-02-17438, 03-02-16530, 04-02-17118, 05-02-16833, 05-02-17036, 06-02-01845, 06-08-01506, 06-08-08199, 07-02-00617, 08-0800966, 09-02-00422, 09-08-00743, 10-02-01395), ИНТАС (97-32041, YSF 2001/2-155, 01-1В-2192 и 03-51-5319), МНТЦ (97-531), Королевского общества Великобритании (RS-NATO-99A), Международного научного фонда и Правительства России (R8B000, R8B300, 94-02-04481, 96-02-18971), Федеральной программы поддержки ведущих научных школ (грант № НШ-1640), Комплексных программ фундаментальных научных исследований Президиума РАН («Наносекундная релятивистская электроника большой мощности», «Фундаментальные проблемы нано- и пикосекундной электроники большой мощности», «Фундаментальные проблемы релятивистской импульсной и стационарной электроники большой мощности» и «Проблемы физической электроники в системах большой мощности»), Федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям науки и техники» («Физика микроволн»), Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы и др.

Публикации и апробация результатов. Основные результаты диссертации опубликованы в работах [1А - 123А] и докладывались автором на V и VII Всесоюзных семинарах «Высокочастотная релятивистская электроника» (Горький 1987; Томск 1991), VIII Всесоюзном симпозиуме по сильноточной электронике (Свердловск 1990), Всесоюзном семинаре «Волновые и колебательные явления в электронных приборах

О-типа» (Ленинград 1990), Всесоюзной школе-семинаре «Физика и применение микроволн» (Москва 1991), Всесоюзных конференциях по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу (Звенигород 1991, 2002, 2004), IX Международном симпозиуме по сильноточной электронике (Екатеринбург-Москва 1992), Всесоюзных школах-семинарах по электронике СВЧ и радиофизике (Саратов 1992, 1994), Всероссийском семинаре по физике микроволн (Н.Новгород 1996, 1999), Всероссийских семинарах по физике миллиметровых и субмиллиметровых волн (Н.Новгород 2005, 2007, 2009), II Азиатском симпозиуме по лазерам на свободных электронах (Новосибирск 1995), 12, 17 и 18 Российско-германских семинарах по гиротронам и электронно-циклотронному нагреву плазмы (Н.Новгород 2000, 2006, Графсвальд, Германия 2005), 23 и 24 Международных конференциях по физике плазмы (Великобритания, Крифф 1996, Лиидз 1997), XXV и XXVI Генеральных ассамблеях Международного радиофизического общества (Франция, Лилль 1996, Канада, Торонто 1999), II - VII Международных совещаниях «Мощные микроволны в плазме» (Н.Новгород 1993, 1996, 1999, 2002, 2005, 2008), X, XI, XV и XVI Международных конференциях по мощным пучкам частиц (США, Сан-Диего 1994; Чехия, Прага 1996, Санкт-Петербург, 2004, Великобритания, Оксфорд 2006), 31, 32 и 35 Международных конференциях по инфракрасным и миллиметровым волнам (Китай, Шанхай 2006, Великобритания, Кардифф 2007, Рим, Италия 2010), Международной конференции по Терагерцовому излучению (Новосибирск 2010), а также на внутренних семинарах ИПФ РАН, ИЯФ СО РАН, ОИ.ЯИ, Стратклайдского университета (г. Глазго, Великобритания), Исследовательского центра Карлсруе (Германия) и др.

Материалы диссертации частично вошли в цикл работ «Разработка высокоэффективного узкополосного МСЭ-генератора для линейных электрон-позитронных коллайдеров» (совместно с А.К.Каминским, С.Н.Седых и др.), удостоенный премии ОИЯИ в 1998 г., и «Теоретическое и экспериментальное исследование мощных мазеров на свободных электронах» (совместно с А.В.Савиловым и С.В.Самсоновым), удостоенный Медали РАН с премией для молодых ученых в 2000 г.

Личный вклад автора. В работах [1А - 4А] развит подход к нелинейной теории МСЭ с ведущим магнитным полем, основанный на усредненном описании движения частиц. Исследованы особенности энергообмена интенсивных магнитонаправляемых РЭП в МСЭ, показаны механизмы увеличения их эффективности [5А-7А, 13А].

Объяснен высокий КПД, реализованный в МСЭ с обратным ведущим полем [9А] и продемонстрированы их преимущества перед МЦАР [8А].

На основе пространственно-временного подхода, развитого Н.С.Гинзбургом и А.С.Сергеевым, соискателем проведено моделирование МСЭ с брэгговскими резонаторами различных типов, определены условия установления одномодовой и многомодовой генерации [16А, 18А-25А]. Продемонстрирована возможность достижения высокого КПД при использовании брэгговского резонатора со скачком фазы гофрировки [10А, 11 А]. Разработаны электродинамические системы МСЭ, реализованного на основе ускорителя ЛИУ-3000 (ОИЯИ) [27А -34А]. Экспериментальные исследования этого МСЭ [26А, 35А - 40А] ведутся совместно с А.К.Каминским и С.Н.Седых и др. в ОИЯИ. В последние годы автор принимал ключевое участие в создании стенда для исследования свойств материалов на основе реализованного МСЭ-генератора [41А - 45А].

Для продвижения МСЭ в коротковолновые диапазоны предложено использование модифицированных брэгговских резонаторов, основанных на связи бегущих и квазикритических волн [46А - 48А], показаны их высокие селективные свойства данных резонаторов вплоть до суб-мм диапазона [49А - 55А]. Для демонстрации работоспособности новой схемы МСЭ проведены моделирующие эксперименты в 8-мм диапазоне длин волн с упомянутыми выше соавторами [56А].

Идея использования двумерной распределенной обратной связи предложена Н.С.Гинзбургом при участии А.С.Сергеева и соискателя в работах [65А - 67А, 101 А]. Последнему принадлежит построение электродинамический теории двумерных брэгговских резонаторов и исследование их характеристик в «холодных» тестах [68А -74А, 102А - 106А, 113А], в частности, демонстрация существования основной моды в центре брэгговской полосы [75А, 76А]. Автором проведено моделирование различных схем МСЭ с двумерной РОС [77А - 94А, 108А - 112А].

Эксперименты по созданию мощных МСЭ с двумерной РОС проводятся на крупномасштабных стендах, и как следствие, экспериментальные работы [95А -100А, 114А - 119А] написаны в большом коллективе соавторов. В исследованиях планарной схемы МСЭ, которые выполняются в ИЯФ СО РАН совместно с А.В.Аржанниковым, С.Л.Синицким и др., автор проводил расчеты электронно-волнового взаимодействия, разработку и оптимизацию электродинамических систем, а также принимал непосредственное участие в обработке, интерпретации и обсуждении экспериментальных результатов. Создание специализированного стенда для исследования коаксиальной схемы МСЭ с двумерной РОС проводилось в Страклайдском университете при участии ИПФ РАН, в проектировании и расчете всех его ключевых компонентов соискатель выступал как основной исполнитель.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Объем диссертации составляет 307 страниц, включая 2 таблицы и 183 рисунка, списки цитированной литературы (166 наименований) и авторских публикаций (123 наименования), размещенные на 22 страницах.

Заключение диссертации по теме «Физическая электроника», Песков, Николай Юрьевич

Основные результаты диссертационной работы сводятся к следующему.

1. В рамках усредненного описания построена нелинейная теория МСЭ с винтовым ондулятором и ведущим магнитным полем. Исследованы особенности энергоотдачи релятивистских электронных пучков при различных соотношениях между гиро- (сон) и баунс- (фь) частотами. Показано, что режимы работы, удаленные от циклотронного резонанса, в том числе, режим обратного ведущего поля обладают низкой чувствительностью к начальному разбросу параметров пучка и обеспечивают высокий электронный КПД. МСЭ в указанных режимах обладают меньшей критичностью к разбросу параметров электронных пучков по сравнению с МЦАР. При работе МСЭ в режимах близких к циклотронному резонансу в области юн < ^ь процесс генерации характеризуется снижением эффективности и сопровождается уменьшением токопрохождения пучка. Вместе с тем, в области юн > при запитке МСЭ ультрарелятивистскими пучками существует возможность увеличения КПД, основанная на использовании зависимости массы электронов-осцилляторов от их энергии.

2. Исследованы режимы одномодовой и многомодовой генерации в МСЭ с одномерной распределенной обратной связью. Показано, что в МСЭ с двухзеркальным резонатором оптимальной добротности одномодовый режим устанавливается на нелинейной стадии в результате конкуренции мод, а увеличение добротности приводит к реализации многомодовых режимов с низким электронным КПД. Электродинамическая селекция по продольному индексу, реализуемая при умеренной сверхразмерности в резонаторе со скачком фазы гофрировки, позволяет обеспечить устойчивый режим одномодовой генерации в МСЭ с высоким электронным КПД.

3. Оптимизация режимов электронно-волнового взаимодействия и геометрии электродинамической системы позволили реализовать в 8-мм диапазоне длин волн МСЭ с выходной мощностью на уровне 20 - 30 МВт и шириной спектра излучения около 6-7 МГц, близкой к теоретическому пределу. Рекордный для данного класса генераторов набор параметров (эффективность, мощность, стабильность одномодового режима генерации) достигнут при использовании обратного ведущего поля и брэгговского резонатора со скачком фазы гофрировки. Продемонстрирована механическая перестройка частоты излучения генератора в полосе 6%.

4. Теоретически и экспериментально продемонстрирована возможность работы МСЭ с брэгговским резонатором на резонансную нагрузку. Показано, что для стабильной работы МСЭ и эффективной передачи энергии в нагрузку необходимо согласование резонансных частот, а также достаточно большое время задержки (до 10-20 не) отраженного сигнала и наличие определенных потерь (10 - 15%) в передающем тракте. Полученные результаты использованы в совместных экспериментах ОИЯИ и ИПФ РАН по исследованию ресурса высокоградиентных ускоряющих структур по отношению к импульсным циклическим тепловым нагрузкам на частоте 30 ГГц.

5. Для продвижения МСЭ в коротковолновые диапазоны предложено использование модифицированных брэгговских структур, основанных на связи бегущих и квазикритических волн. Показано, что при оптимальных параметрах частота генерации оказывается близкой к частоте отсечки квазикритической волны, возбуждающейся в модифицированной брэгговской структуре. В качестве демонстрационного эксперимента, подтверждающего работоспособность резонатора данного типа, реализован узкополосный МСЭ 8мм диапазона длин волн с мультимегаваттным уровнем мощности.

6. Теоретически и экспериментально исследованы электродинамические свойства двумерных пленарных и коаксиальных двумерных брэгговских резонаторов с двоякопериодической гофрировкой поверхности, продемонстрированы их высокие селективные свойства при больших параметрах Френеля. Исследован эффект просветления планарной двумерной структуры в окрестности частоты точного брэгговского резонанса в случае падения несимметричной внешней волны, обусловленный возбуждением основной высокодобротной моды. Формирование высокодобротных мод в центре брэгговской полосы в отсутствие дефектов периодичности является принципиальным отличием двумерных брэгговских структур от одномерных аналогов, а также от фотонных структур.

7. Определены условия реализации стационарных режимов генерации в планарных и коаксиальных МСЭ, основанных на использовании двумерной распределенной обратной связи. Комбинация электродинамических и электронных механизмов селекции в МСЭ данного типа позволяет получить мощное узкополосное излучение от широких в масштабах длины волны релятивистских электронных пучков ленточной и трубчатой геометрии. Показано, что с точки зрения снижения уровня омических потерь и увеличения электропрочности оптимальными являются МСЭ с комбинированными резонаторами, составленными из входного двумерного и выходного одномерного брэгговских зеркал. При этом стабильность одномодового режима генерации в МСЭ планарной геометрии может быть увеличена путем замыкания поперечных волновых потоков в двумерной брэгговской структуре.

8. В миллиметровом диапазоне длин волн реализованы схемы планарных и коаксиальных МСЭ с двумерной распределенной обратной связью. Продемонстрирована эффективная селекция мод по поперечному (азимутальному) индексу при сверхразмерности электродинамических систем до 25 длин волн и мультимегаваттной выходной мощности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования доктор физико-математических наук Песков, Николай Юрьевич, 2011 год

1. Гапонов А.В., Гольденберг А.Л., Григорьев Д.П., Орлова И. М., Панкратова Т.Б., Петелин М.И. Индуцированное циклотронное излучение электронов в открытых резонаторах 1. Письма в ЖЭТФ. 1965. Т.2, № 9. С.430-435.

2. Гапонов А.В., Петелин М.И., Юлпатов В.К. Индуцированное излучение возбужденных классических осцилляторов и его использование в электронике II Изв. ВУЗов: Радиофизика. 1967. Т. 10, №9-10. С. 1415-1453.

3. Denisov G.G., Litvak A.G., Myasnikov V.E., е.а. Gyrotrons for fusion research. State of the art and progress trends II In book: «Strong Microwaves: Sources and Applications», Ed. A.G.Litvak, N.Novgorod, 2009. V.l. P. 15-26.

4. Sakamoto K., Kajiwara K., Kasugai A., e.a. High power 170 GHz gyrotron development in JAEA И In book: «Strong Microwaves: Sources and Applications», Ed. A.G.Litvak, N.Novgorod, 2009. V.l. P.7-14.

5. Piosczyk В., Dammertz G., Dumbrajs O., e.a. 165-GHz coaxial cavity gyrotron // IEEE Trans, on Plasma Sci. 2004. V.32, no.3. P.853-860.

6. Blank M., Felch K., Borchard P., e.a. Demonstration of a high-power long-pulse 110-GHz gyrotron oscillator II IEEE Trans, on Plasma Sci. 2004. V.32, no.3.1. P.867-876.

7. Glyavin M.Yu., Luchinin A.G., Golubiatnikov G.Yu. Generation of 1.5-kW, 1-THz coherent radiation from a gyrotron with a pulsed magnetic field II Phys. Rev. Lett. 2008. V.l00. P.015101.

8. Bratman V.L., Kalynov Yu.K., Manuilov V.N. Large-orbit gyrotron operation in the terahertz frequency range И Phys. Rev. Lett. 2009. V.102. P.245101.

9. Гинзбург В.Л. Об излучении микрорадиоволн и их поглощении в воздухе II Изв. АН СССР, Сер. Физ. 1947. Т.11, №12. С.165-173.

10. Motz Н. Application of radiation from fast electron beams // J. Appl. Phys. 1951. V.22, no.5. P.527-536.

11. Pantell R.H., Soncini G., Puthoff H.E. Stimulated photon-electron scattering II IEEE J. Quantum Electron. 1968. V.QE-4, no.l 1. P.905-907.

12. Madey J.M.J. Stimulated emission of bremsstrahlung in a periodic magneto-static field Hi. Appl. Phys. 1971, no.5. P.1906-1913.

13. Madey J.M.J., Schwettman H.A., Fairbank W.M. A free-electron laser II IEEE Trans. Nucl. Sci. 1973. V.20, no.3. P.980-983.

14. Deacon D.A.G., Elias L.R., Madey J.M.J, et. al. First operation of free-electron laser II Phys. Rev. Lett. 1977. V.38, no.16. P.892-894.

15. Gover A., Sprangle P. A unified theory of magnetic bremsstrahlung, electrostatic bremsstrahlung, Compton-Raman scattering, and Cerenkov-Smith-Purcell free-electron laser // IEEE J. Quant. Electr. 1981. V.QE-17, no.8. P.l 196-1216.

16. Братман В.Л., Гинзбург Н.С. Лазеры на свободных электронах II Физический энциклопедический словарь. М.: «Сов. Энциклопедия», 1983. С.343.

17. Bratman V.L., Ginzburg N.S., Petelin M.I. Common properties of free electron lasers // Optics Commun. 1979. V.30, no.3. P.409-420.

18. Федоров М.В. Взаимодействие электронов с электромагнитными волнами в лазерах на свободных электронах ИУФН. 1981. №2. С.213-236.

19. Marshall Т.С. Free-electron laser. New York: Macmillan, 1985. 367 p.

20. Roberson C.W., Sprangle P. A review of free-electron lasers II Phys. Fluids. 1989. V.l, no.l.P.3-67.

21. Boehmer H., Gapony M.Z., Edighoffer J. et. al. Variable-wiggler free-electron laser experiment II Phys. Rev. Lett. 1982. V.48, no.3. P. 141-144.

22. Billardon V., Elleaume P., Ortega J.M. et. al. First operation of storage-ring free-electron laser // Phys. Rev. Lett. 1983. V.51, no. 18. P. 1652-1654.

23. Warren R.W., Newnam B.E., Winston J.C. et. al. Results of the Los Alamos free-electron laser И IEEE J. of Quant. Electr. 1983. V. QE-19, no.3. P.391-400.

24. Knippels G.M.H., Mols R.F.X.A.M., Van der Meer A.F.G., e.a. Intense far-infrared Free-Electron Laser pulses with a length of six optical cycles // Phys. Rev. Lett. 1995. V.75. P.1755-1758.

25. Andruszkow J., Aune В., Ayvazyan V., e.a. First observation of self-amplified spontaneous emission in a Free-Electron Laser at 109 nm wavelength II Phys. Rev. Lett. 2000. V.85. P.3825-3829.

26. Neil G.R., Bohn C.L., Benson S.V., e.a. Sustained kilowatt lasing in a Free-Electron Laser with same-cell energy recovery II Phys. Rev. Lett. 2000. V.84. P.662-665.

27. Nishimori N., Hajima R., Nagai R., Minehara E.J. Sustained saturation in a Free-Electron Laser oscillator at perfect synchronism of an optical cavity II Phys. Rev. Lett. 2001. V.86. P.5707-5710.

28. Trovo M., Clarke J.A., Couprie M.E., e.a. Operation of the European storage ring FEL at ELETTRA down to 190 nm II Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A. 2002. V.A483. P.157-161.

29. Douglas D.R., Jordan K.C., Merminga L., e.a. Experimental investigation of multibunch, multipass beam breakup in the Jefferson Laboratory Free Electron Laser upgrade driver II Phys. Rev. ST-AB. 2006. V.9. P.064403.

30. Wu Y. K., Vinokurov N. A., Mikhailov S., e.a. High-gain lasing and polarization switch with a distributed optical-klystron Free-Electron Laser II Phys. Rev. Lett.2006. V.96. P.224801.

31. Saldin E.L., Schneidmiller E.A., Yurkov M.V. Properties of the third harmonic of the radiation from self-amplified spontaneous emission free electron laser II Phys. Rev. ST-AB. 2006. V.9. P.030702.

32. Hau-Riege S.P., London R.A., Chapman H.N., Bergh M. Soft-x-ray free-electron laser interaction with materials II Phys. Rev. E. 2007. V.76. P.046403.

33. Wang X. J., Watanabe Т., Shen Y., e.a. Efficiency enhancement using electron energy detuning in a laser seeded free electron laser amplifier 11 Appl. Phys. Lett.2007. V.91.P.181115.

34. De Ninno G., Allaria E., Coreno M., e.a. Self-induced harmonic generation in a storage-ring Free-Electron Laser II Phys. Rev. Lett. 2008. V.100. P.104801.

35. Singer A., Vartanyants I. A., Kuhlmann M., e.a. Transverse-coherence properties of the Free-Electron Laser FLASH at DESY II Phys. Rev. Lett. 2008. V.l01. P.254801.

36. Shintake Т., Tanaka H., Нага Т., е.а. Stable operation of a self-amplified spontaneous-emission free-electron laser in the extremely ultraviolet region П Phys. Rev. ST-AB. 2009. V.12. P.070701.

37. Prazeres R., Berthet J.-P., Glotin F., e.a. Laser beam profile analysis of a hole coupled free-electron laser // Phys. Rev. ST-AB. 2010. V.13. P.090702.

38. Reschke D., Bandelmann R., Buettner Т., e.a. Preparatory procedure and equipment for the European x-ray free electron laser cavity implementation II Phys. Rev. ST-AB. 2010. V.13. P.071001.

39. Prat E., Decking W., Limberg T. Dispersion effects on performance of the free-electron laser FLASHII Phys. Rev. ST-AB. 2010. V.13. P.040701.

40. Liu S.Y., Ogi Y., Fuji Т., e.a. Time-resolved photoelectron imaging using a femtosecond UV laser and a VUVfree-electron laser I I Phys. Rev. A. 2010. V.81. P.031403.

41. Elias L.R., Ramian G., Hu J., Amir A. Observation of single-mode operation in free-electron /aser//Phys. Rev. Lett. 1986. V.57, no.4. P.424-427.

42. Винокуров H.A. Лазеры на свободных электронах на электронных накопителях // В кн: «Релятивистская высокочастотная электроника», Горький: ИПФ АН СССР, 1990. Вып.6. С. 162-184.

43. Urata J., Goldstein М., Kimmit M.F., e.a. Superradiant Smith-Purcell emission II Phys. Rev. Lett. 1998. V.80. P.516-519.

44. Doria A., Gallerano G.P., Giovenale E., e.a. A metal-grating FEL experiment at the ENEA compact-FEL facility II Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A. 2001. V.A475. P.318-322.

45. Doria A., Gallerano G.P., Giovenale E. Free electron broad-band THz radiator II Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A. 2002. V.A483. P.461-465.

46. Jeong Y.U., Kazakevitch G.M., Lee B.C., e.a. Status and prospects of a compact FIR FEL driven by a magnetron-based microtron // Nuclear Instr. and Method in Phys. Res. 2002. V.A483. P.195-199.

47. Kazakevich G.M., Pavlov V.M., Jeong Y.U., Lee B.C. Magnetron-driven microtron injector of a terahertz free electron laser II Phys. Rev. ST-AB. 2009. V.12. P.040701.

48. Andrews H. L., Brau C. A., Jarvis J. D., e.a. Observation of THz evanescent waves in a Smith-Purcell free-electron laser // Phys. Rev. ST-AB. 2009. V.12. P.080703.

49. Batrakov A.M., Bolotin V.P., Dubrovin A.N., e.a. Status of the free electron laser for the Siberian centre for photochemical research II Nuclear Instr. and Method in Phys. Res. 2001. V.A470. P.60-65.

50. Bolotin V.P., Vinokurov N.A., Kayran D.A., e.a. Status of the Novosibirsk terahertz FEL //Nuclear Instr. and Method in Phys. Res. 2005. Vol. A543. P.81-84.

51. Винокуров H.A., Князев Б.А., Кулипанов Г.Н. и др. Визуализация излучения мощного терагерцового лазера на свободных электронах с помощью термочувствительного интерферометра IIЖТФ. 2007. Т.77, №7. С.91-99.

52. Dem'yanenko М.А., Esaev D.G., Knyazev В.А., e.a. Imaging with a 90 frames/s microbolometer focal plane array and high-power terahertz free electron laser II Appl. Phys. Lett. 2008. V.92. P.131116.

53. Birkett D.C., Marshall T.C., Schlesinger S.P., McDermot D.B. A sub-millimeter free-electron laser experiment II IEEE J. Quant. Electr. 1981. V.QE-17, no.8. P.1348-1354.

54. Urbanus W.H., Bongers W.A., van der Geer C.A.J., e.a. High-power electrostatic free-electron maser as a future source for fusion plasma heating: experiments in the short-pulse regime II Phys. Rev. E. 1999. V.59, no.5. P.6058-6063.

55. Urbanus W.H., Bratman V.L., Savilov A.V., et al. Long-pulse operation at constant output power and single-frequency mode of a high-power electrostatic free-electron maser with depressed collector II Phys. Rev. Lett. 2002. V.89, no.21. P.214801.

56. Takahashi S., Ramian G., Sherwin M.S., e.a. Submegahertz linewidth at 240 GHz from an injection-locked free-electron laser II Appl. Phys. Lett. 2007. V.91. P.174102.

57. Phillips R.H. The ubitron, a high-power travelling-tube based on a periodic beam interaction in unloaded waveguide II IRE Trans. Electron Devices. 1966. V.ED-7, no.4. P.231-241.

58. Orzechowsky T.J., Sharlemann E.T., Anderson B.R. et. al. High-gain free-electron laser using induction linear accelerators И IEEE J. Quant. Electr. 1985. V.QE-21, no.3. P.344-356.

59. Orzechowsky T.J., Anderson B.R., Clark J.C. el. al. High-efficiency of microwave radiation from tappered-wiggler free-electron laser II Phys. Rev. Lett. 1986. V.57, no. 17. P.2172-2174.

60. McDermot D.B., Marshall T.C., Sclesinger S.E. et. al. High-power free-electron laser on stimulated Raman backscattering И Phys. Rev. Lett. 1978. V.41, no.5. P.1368-1371.

61. Ботвинник И.Е., Братман B.JI., Волков А.Б. и др. Мазеры на свободных электронах с брэгговсктшрезонаторами II Письма в ЖЭТФ. 1982. Т.35, №10. С.418-425.

62. Bratman V.L., Denisov G.G., Ginzburg N.S., Petelin M.I. FEL's with Bragg reflection resonators: cyclotron autoresonance masers versus ubitrons II IEEE J. Quant. Electr. 1983. V.QE-19, no.3. P.282-296.

63. Carmel J., Granatstein V.L., Gover A. Demonstration of a two stage backward wave-oscillator free-electron laser II Phys. Rev. Lett. 1983. V.51, П0.7.Р.566-569.

64. Gold S.H., Hardesty D.L., Kinkead A.K. et.al. High-gain 35-GHz free-electron laser amplifier experiment II Phys. Rev. Lett. 1984. V.52, no.14. P.1218-1222.

65. Ельчанинов A.C., Коровин С.П., Месяц Г.А., Ростов В.В. Вынужденное ондуляторное излучение в режиме высокого КПД И Письма в ЖТФ. 1984. Т. 10, №18. С.113-117.

66. Григорьев В.П., Диденко А.Н., Мельников Г.В. и др. Вынужденное излучение электронного пучка в ондуляторе в условиях циклотронного резонанса с комбинационной волной II Радиотехника и электроника. 1985. Т.30, №7. С.1397-1402.

67. Fajans Т., Bekefi G., Yin Y.Z., Lax В. Microwave studies of tunable free-electron laser in combined axial and wiggler magnetic fields II Phys. Fluids. 1985. V.28, no.6. P.1995-2007.

68. Kehs R., Carmel J., Granatstein V.L., Destler W.W. Free-electron laser pumped by powerful traveling electromagnetic wave II IEEE Trans. Plasma Sci. 1990. V.18, №3. P.437-446.

69. Kaminsky A.A., Kaminsky A.K., Rubin S.B. Experiments on the efficiency increase ofFEL amplifier on the base ofLIU-3000 II Particle Accelerators. 1990. V.33. P.189-194.

70. Conde M.E., Bekefi G. Experimental study of a 33.3 GHz free electron laser amplifier with a reversed axial guide magnetic field II Phys. Rev. Lett. 1991. V.67, no.22. P.3082-3088.

71. Conde M.E., Bekefi G. Amplification and superradiant emission from 33.3GHz free-electron laser with a reversed axial guide magnetic field И IEEE Trans. Plasma Sci. 1992. V.20, no.3. P.240-244.

72. Kaminsky A.A., Kaminsky A.K., Sarantsev V.P., e.a. Investigation of a microwave FEL with a reversed guide field II Nuclear Instr. and Meth. in Phys. Research A. 1994. V.A341. P. 105-108.

73. Ciocci F., Bartolini R., Doria A., Gallerano G.P., e.a. Operation of a compact free-electron laser in the millimeter-wave region with a bunched electron beam И Phys. Rev. Lett. 1993. V.70. P.928-931.

74. Chu T.S., Hartemann F.V., Danly B.G., Temkin R.J. Single-mode operation of a Bragg Free-electron maser oscillator II Phys. Rev. Letters. 1994. V.72, no. 15. P.2391-2395.

75. Mima K., Imasaki K., Kuruma S., e.a. Theory and experiments for the induction linac FEL И Nuclear Instr. and Meth. in Phys. Research A. 1991. V.A285. P.47-52.

76. Wang M., Wang Z., Chen J., e.a. Experiments of a raman free electron laser with distributed feedback cavity II Nuclear Instr. and Meth. in Phys. Research. A. 1991. V.A304. P.l 16-120.

77. Boscolo I., Giuliani F., Valentini M. A 1-MW, J-mm continuous-wave FELtron for toroidal plasma heating // IEEE Trans, on Plasma Sci. 1992. V.20, no.3. P.256-262.

78. Zambon P., Witteman W.J., Van der Slot P.J.M. Comparison between a FEL amplifier and oscillator II Nuclear Instr. and Meth. in Phys. Research A. 1994. V.341. P.88-92.

79. Gardelle J., Labrouche J., Rullier J.L. Direct observation of beam bunching produced by a high power microwave Free-Electron Laser II Phys. Rev. Lett. 1996. V.76, no.24. P.4532-4535.

80. Arbel M., Abramovich A., Eichenbaum A.L., Gover A., e.a. Super-radiant and stimulated super-radiant emission in a pre-bunched beam Free Electron Maser // Phys. Rev. Lett. 2001. V.86. P.2561-2564.

81. Socol Y., Gover A., Eliran A., e.a. Coherence limits and chirp control in long pulse free electron laser oscillator И Phys. Rev. ST-AB. 2005. V.8. P.080701.

82. Eliran A., Gover A., Pinhasi Y., e.a. Statistical study of undulator radiated power by a classical detection system in the mm-wave regime I I Phys. Rev. ST-AB. 2009. V.12. P.050701.

83. Братман В.Д., Гинзбург Н.С., Петелин М.И., Сморгонский А.В. Убитроны и скаттроны IIВ кн.: «Релятивистская высокочастотная электроника», Горький: ИПФ АН СССР, 1979. С.217-248.

84. Канавец В.И., Кубарев В.А., Черепенин В.А. Рассеяние электромагнитных волн на релятивистском электронном потоке IIЖТФ. 1977. Т.47, №2. С.2472-2477.

85. Кондратенко A.M., Салдин E.JI. Генерация когерентного излучения пучком релятивистских электронов в ондуляторе II ЖТФ. 1981. Т.51, №8. С. 16331642.

86. Bernstein I.B., Friedland L. Theory of the free-electron laser in combined helical pump and axial guide fields II Phys. Rev. A. 1981. V.23, no.2. P.816-818.

87. Friedland L., Fructhman A. Amplification on relativistic electron beams in combined helical pump and axial guide fields II Phys. Rev. A. 1982. V.25, no.5. P.2693-2076.

88. Freund H.P., Sprangle P., Dillenberg D. et.al. Coherent and incoherent radiation from free-electron laser with axial guide field II Phys. Rev. A. 1981. V.24, no.4. P.1965-1979.

89. Freund H.P., Jounston S., Sprangle P. Three-dimensional theory of free-electron laser with axial guide field И IEEE J. of Quant. Electr. 1983. V.QE-19, no.3.1. P.322-327.

90. Freund H.P. Nonlinear analysis of free-electron laser amplifiers with axial guide fieldII Phys. Rev. A. 1983. V.27, no.4. P.1977-1988.

91. Ganguly A.K., Freund H.P. // High efficiency operation of free-electron laser amplifiers II IEEE Plasma Science. 1988. V.16, no.2. P.167-173.

92. Freund H.P.,Ganguly A.K. Nonlinear simulation of high-power collective free-electron laser II IEEE Trans. Plasma Sci. 1992. V.20, no.3. P.245-255.

93. Белов C.H., Карбушев Н.И., Рухадзе A.A. Вынужденное рассеяние волн замагниченным пучком релятивистских осцилляторов II ЖТФ. 1982. Т.52, №9. С. 1741-1747.

94. Гинзбург Н.С., Кубарев В. А., Черепенин В.А. Вынужденное рассеяние волн на релятивистском электронном пучке в присутствии однородного магнитного поля: линейная теория II ЖТФ. 1983. Т.53, №5. С.824-829.

95. Гинзбург Н.С., Кубарев В.А., Черепенин В.А. Вынужденное рассеяние волн на релятивистском электронном пучке в присутствии однородного магнитного поля: нелинейная теория эффекта двойного циклотронного резонанса II ЖТФ. 1985. Т.55, №1. С.53-59.

96. Артамонов А.С., Иноземцев Н.И. Коллективные неустойчивости электронного пучка в магнитных полях спирального ондулятора и соленоида И Радиотехника и электроника. 1989. Т.34, №3. С.593-601.

97. Гинзбург Н.С. Усредненные уравнения движения релятивистских электронов в поле двух разночастотных электромагнитных волн в присутствии нерезонансного однородного магнитного поля II ЖТФ. 1988. Т.58, №6. С.1078-1087.

98. Гинзбург Н.С. Петелин М.И. Теория релятивистских убитронов с сильноточными электронными пучками IIВ кн.: «Релятивистскаявысокочастотная электроника», Горький: ИПФ АН СССР, 1984. Вып.4. С.49-65.

99. Гинзбург Н.С., Новожилова Ю.В. О дисперсионном уравнениии ЛСЭ с комбинированным ондуляторным и однородным магнитным полем И Изв. ВУЗов: Радиофизика. 1987. Т.ЗО, №11. С.1371-1378.

100. ЮЗ.Братман B.JL, Гинзбург Н.С., Нусинович Г.С., Петелин М.И., Юлпатов В.К. Циклотронные и синхротронные мазеры IIВ кн.: «Релятивистская высокочастотная электроника», Горький: ИПФ АН СССР, 1979. Вып.1. С.157-216.

101. Ю4.Братман В.Л., Денисов Г.Г., Офицеров М.М. Мазеры на циклотронном авторезонансе миллиметрового диапазона волн IIВ кн.: «Релятивистская высокочастотная электроника», Горький: ИПФ АН СССР, 1983. Вып.З. С.127-159.

102. Bekefi G., DiRienzo A., Leibovitch С. and Danly B.G. A 35 GHz Cyclotron Autoresonance Maser Amplifier И Appl. Phys. Lett. 1989. V.54. P.1302-1304.

103. Bratman V.L., Denisov G.G., Kol'chugin B.D., Samsonov S.V., Volkov A.B. Experimental demonstration of high-efficiency Cyclotron-Autoresonance-Maser operation II Phys. Rev. Lett. 1995. V.75, no.17. P.3102-3105.

104. Братман В.Л., Гинзбург Н.С., Денисов Г.Г. Об использовании в ЛСЭ распределенной обратной связи И Письма в ЖТФ. 1981. Т.7, №21. С. 13201324.

105. Ковалев Н.Ф., Петелин М.И., Резников М.Г. Резонатор: Авт. свид. №720592. Бюл. №9, 1980.

106. Ковалев Н.Ф., Орлова И.М., Петелин М.И. Трансформация волн в многомодовом волноводе с гофрированными стенками II Изв. ВУЗов: Радиофизика. 1968. Т.11, №5. С.783-786.

107. Yariv A. Quantum Electronics. John Wiley and Sons Inc., N.Y., 1975.

108. Бастриков A.H., Бугаев С.П., Киселев И.Н. и др. Формирование трубчатых микросекундных электронных пучков при мегаволътных напряжениях на диоде II ЖТФ. 1988. Т.58, № 3. С.483-494.

109. Аржанников A.B., Астрелин В.Т., Капитонов В.А. и др. Генерация ленточных РЭП в магнитно-изолированном диоде и транспортировка их при токе инжекции меньше вакуумного предела II Препринт 89-81 ИЯФ СО РАН, Новосибирск, 1989.

110. Arzhannikov A.V., Nikolaev V.S., Sinitsky S.L., Yushkov M.V. Generation and transport of 140 kJribbon electron beam II J. Appl. Phys. 1992. V.72, no.4.1. P.1657-1663.

111. Arzhannikov A.V., Bobylev V.B., Nikolaev V.S., e.a. New results of the full-scale ribbon beam experiments on U-2 device II Proc. of 10th Int. Conf. On HighPower Particle Beams, San Diego, USA, 1994. V.l. P.136-139.

112. Ковалев Н.Ф., Петелин М.И. Селекция мод в высокочастотных релятивистских электронных генераторах с распределенным взаимодействием IIВ кн: «Релятивистская высокочастотная электроника», Горький: ИПФ АН СССР, 1981. Вып.2, С.62-101.

113. Рабинович М.И., Трубецков Д.И. Введение в теорию колебаний и волн. М.: Наука, 1984.

114. Черепенин В.А. Многоволновое когерентное излучение релятивистских электронных потоков И В кн: «Мощные генераторы и усилители на релятивистских электронных потоках», М.: Изд-во МГУ, 1987. С.76-84.

115. Бугаев С.П., Канавец В.И., Климов А.И. и др. Релятивистский многоволновый черепковский генератор И Письма в ЖТФ. 1983. Т.9, №22. С.1358-1389.

116. Братман В.Л., Губанов В.П., Денисов Г.Г. и др. Экспериментальные исследования секционированного СВЧгенератора с релятивистским электронным пучком II Письма в ЖТФ. 1988. Т.14, №1. С.9-13.

117. Русин Ф.С., Богомолов Г.Д. Генерация электромагнитных колебаний в открытом резонаторе // Письма в ЖЭТФ. 1966. Т.4, №6. С.236-239.

118. Братман В.Л., Денисов Г.Г., Коровин С.Д. и др. Релятивистские оротроны мощные источники когерентного миллиметрового излучения II Письма в ЖТФ. 1984. Т.10, №13. С.807-811.

119. Yablonovitch Е. Inhibited spontaneous emission in solid-state physics and electronics II Phys. Rev. Lett. 1987. V.58. P.2059-2062.125 .Photonic Bandgaps and Localization, Ed. by C.M.Soukoulis. Plenum, New York, 1993.

120. Kaminsky A.K., Kaminsky A.A., Sedykh S.N., Sergeev A.P. Field distribution investigation in few types of helical undulators II Proc. of 18th Int. FEL Conf., Rome, Italy, 1996, p.II 109-11110.

121. Гапонов A.B., Миллер M.A. О потенциальных ямах для заряженных частиц в высокочастотных электромагнитных полях II ЖЭТФ. 1958. Т.34, №1. С.242-243.

122. Миллер М.А .Движение заряженных частиц в высокочастотных электромагнитных полях II Изв. ВУЗов: Радиофизика. 1958. Т.1, №3. С.110-123.

123. Гинзбург В.Л., Франк И.М. Об эффекте Доплера при сверхсветовой скорости И ДАН СССР. 1947. Т.56, №6. С.583-599.

124. Ginzburg N.S., Petelin M.I. Multifrequency generation in free-electron lasers with quasi-optical resonators II Int. J. of Electronics. 1985. V.59, no.3. P.291-314.

125. Гинзбург H.C., Сергеев A.C. Динамика ЛСЭ-генераторов с резонаторами произвольной добротности //ЖТФ. 1991. Т.61, №6, С.133-140.

126. Antonsen T.M., Levush В. Mode competition and control in free-electron laser oscillators И Phys. Rev. Lett. 1989. V.62, no.13. P.1448-1456.

127. Богомолов Я.JI., Гинзбург Н.С., Сергеев А.С. Динамика лазеров на свободных электронах с распределенной обратной связью II Радиотехника и электроника. 1986. Т.31, №1. С. 102-107.

128. Shay H.D., Jong R.A., Ryne R.D., e.a. Use of a FEL as a buncher for a TBA scheme //Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Research A. 1991. V.A304. P.262-267.

129. Samsonov S.V., Phelps A.D.R., Bratman V.L., e.a. Compression of frequency modulated pulses using helically corrugated waveguides and its potential for generation multi-megawatt RF radiation II Phys. Rev. Lett. 2004. V.92. P. 18301.

130. Wuensch W., Wilson I., Braun H., Luong M. A very-high-gradient test of a 30 GHz single-cell cavity II Proc. of European Particle Accelerator Conf. "EPAC-2000", Vienna, Austria, 2000. P.271-273.

131. Wilson P.B. Scaling linear colliders to 5 ТеV and above II Proc. of ITP Conf., Santa Barbara, USA, 1997. P.l; SLAC-PUB-7449, April 1997.

132. Ellis J., Wilson I. New physics with the Compact Linear Collider II Nature. 2001. V.409. P.431-435.

133. Nezhevenko O.A., Hirshfield J.L, Yakovlev V.P., e.a. 10 MW, W-band RF source for advanced accelerator research И Proc. of European Particle Accelerator Conf. "EPAC-2000", Vienna, Austria, 2000. P.2087-2089.

134. Коваленко В.Ф. Теплофизические процессы и электровакуммные приборы. М.: Сов. Радио. 1975.216 с.

135. Arnau-Izquierdo G., Calatroni S., Heikkinen S., e.a. High-power RF induced thermal fatigue in the high-gradient CLIC accelerating structures II CLIC Note 708. CERN, Geneva. 2007. 13 p.

136. Calatroni S., Neupert H., Taborelli M. Fatique testing of materials by UV pulsed laser irradiation II CLIC Note 615. CERN, Geneva. 2004. 4 p.

137. Pritzkau D.P., Siemann R.H. Experimental study of RF pulsed heating on oxygen free electronic copper // Phys. Rev. ST-AB. 2002. V.5. P.l 12002.

138. Tantawi S. High-power RF tests results: SLAC2 II CLIC-09 Int. Workshop, CERN, Geneva, Switzerland, 2009.

139. Laurent L. Pulse heating experiment and status report II US High-Gradient Collaboration Workshop, Argonne, USA, 2009.

140. Denisov G.G., Kuzikov S.V. Microwave systems based on controllable interference of paraxial wavebeams in oversized waveguides II in book: "Strong Microwaves in Plasmas 2000". Ed. by A.G.Litvak. IAP RAS, N.Novgorod. 2000. V.2. P.960-966.

141. Кузиков C.B., Плоткин M.E. Модель тепловой усталости поверхности меди под действием мощного СВЧ излучения II Изв. ВУЗов: Радиофизика. 2007. Т.50, №10-11. С.979-987.

142. Laurent L., Dolgashev V., Haase A., e.a. Various pulse heating samples on SLAC X-band klystron circuits II CLIC-09 Int. Workshop, CERN, Geneva, Switzerland, 2009.

143. Гольденберг А. Л., Нусинович Г.Н., Павельев А.Б. Дифракционная добротность резонатора с винтовым гофром // в кн. "Гиротроны". ИПФ АН СССР, Горький, СССР. 1980. С.91-97.

144. Savilov A.V., Bratman V.L., Phelps A.D.R., Samsonov S.V. Effective coupling of "CARM" and "gyrotron " modes on a phase-synchronized electron beam II Phys. Rev. E. 2000. V.62, no.3. P.4207-4215.

145. Denisov G.G., Lukovnikov D.A., Samsonov S.V. Resonant reflectors for Free Electron Masers И Int. J. of Infrared and Millimeter Waves. 1995. V.16, no.4. P.745-752.

146. Авербах B.C., Власов C.H., Таланов В.И. Методы селекции типов колебаний в открытых квазиоптических системах II Изв. ВУЗов: Радиофизика. 1967. Т.10, №9-10. С.1333-1357.

147. Denisov G.G., Bratman V.L., Phelps A.D.R., Samsonov S.V. Gyro-TWT with a helical operating waveguide: new possibilities to enhance efficiency and frequency bandwidth II IEEE Trans, on Plasma Sci. 1998. V.26, no.3. P.508-516.

148. Братман B.Jl., Денисов Г.Г., Самсонов C.B. и др. Высокоэффективные широкополосные гиро-ЛБВ и гиро-ЛОВ со спирально-гофрированными волноводами II Известия ВУЗов: Радиофизика. 2007. Т.50, №2. С.104-115.

149. Гинзбург Н.С., Завольский Н.А., Нусинович Г.С., Сергеев А.С. Нестационарная теория электронных генераторов с дифракционным выводом излучения II Изв. ВУЗов, Радиофизика. 1986. Т.29, №1. С.106-114.

150. McDermott D.B., Luhmann N.C., Kupiszewski A., Jory H.P. Small-signal theory of a large-orbit electron-cyclotron harmonic maser II Phys. Fluids. 1983. V.26. P.1936-1946.

151. Денисов Г.Г. Формирование, преобразование и передача излучения в сверхразмерных электродинамических системах. Диссертация в виде доклада на соискание ученой степени д.ф.-м.н., ИПФ РАН, Н.Новгород, 2002. 82 с.

152. Аржанников А.В., Кузнецов С.А., Синицкий С.Л. Спектральные свойства интерференционных СВЧ-филътров на основе скрещенных решеток-поляризаторов // ЖТФ. 2002. Т.72, №9. С. 102-107.

153. Flyagin V.A., Khizhnyak V.I., Manuilov V. N., e.a. Investigations of advanced coaxial gyrotrons at LAP RAS II Int. J. of Infrared and Millimeter Waves. 2003. V.24, no.l. P.2-17.

154. Piosczyk В., Dammertz, G., Dumbrajs O., e.a. A 2-MW, 170-GHz coaxial cavity gyrotron // IEEE Trans, on Plasma Sci. 2004. V.32, no.2. P.413-417.

155. Вайнштейн Л.А. Электромагнитные волны. M: Сов. радио. 1957. 440 с.

156. Ковалев Н.Ф. О двумерном брэгговском резонаторе И Изв. ВУЗов: Радиофизика. 2003. Т.46, №4. С.299-313.

157. Гинзбург Н.С., Коноплев И.В., Сергеев А.С. Использование двумерной распределенной обратной связи для синхронизации излучения в ЛСЭ с трубчатыми РЭП большого диаметра II ЖТФ. 1996. Т.66, №5. С. 108-117.

158. Братман В.Л., Моисеев М.А., Петелин М.И. К теории гиротронов с нефиксированной структурой высокочастотного поля II Изв. ВУЗов: Радиофизика. 1973. Т. 16, №4. С.622-634.

159. Denisov G.G., Vinogradov D.V. Waveguide mode converters with step type coupling II Int. J. of Infrared and Millimeter Waves. 1991. V.12, no.2. P.131-140.

160. Барышев В.P., Гинзбург, Н.С. Сергеев А.С. Использование двумерной распределенной обратной связи для синхронизации излучения лазерных активных сред // Письма в ЖТФ. 2008. Т.34, №3. С.47-54.

161. Сергеев А.П., Сергеев А.С. Высокоэффективный узкополосный МСЭ-генератор с брэгговскимрезонатором со скачком фазы гофрировки // Письма в ЖТФ. 1999. Т.25, №11. С. 19-29.

162. A. Ginzburg N.S., Kaminsky А.А., Kaminsky А.К., Peskov N.Yu., Sedykh S.N.,

163. Samsonov S.V., Volkov A.B. Experimental study of a FEMwith a microwave system of a new type И IEEE Trans, on Plasma Science. 1996. V.24, no.3. P.744-750.15A. Peskov N.Yu., Ginzburg N.S., Phelps A.D.R., Cross A.W., He W., Winning P.

164. Sergeev A.P., Sergeev A.S. High-efficiency operation of the JINR-IAP Ka-band FEL-oscillator // Proc. of III Int. Workshop «Strong microwaves in plasmas», Ed. A.G.Litvak, N.Novgorod, Russia, 1996. V.2. P.782-792.

165. ЗЗА. Елжов A.B., Каминский A.K., Перелылтейн Э.А., Седых С.Н., Сергеев А.П.,

166. Стабилизация частоты излучения в мазерах на свободных электронах с двумерной и одномерной распределенной обратной связью II ЖТФ. 2009. Т.79, №9. С. 142-145.

167. Sedykh S.N., Sergeev A.P. A Large Orbit FEL-oscillator operated at second harmonic II Nuclear Instr. and Meth. in Phys. Research A. 1999. V.A429. P. 121-124.59А. Peskov N.Yu., Savilov A.V., Kaminsky A.K., Sedykh S.N., Perelstein E.A.,

168. Калинин П.В., Синицкий С.Л., Степанов В.Д. Теоретическое и экспериментальное исследование пространственно-развитых планарных двумерных брэгговских резонаторов II Письма в ЖТФ. 2000. Т.26, №8. С.72-83.

169. О возможности использования двумерных брэгговских структур в ЛСЭ-усилителе, запитываемом ленточным электронным потоком II Письма в ЖТФ. 1999. Т.25, №19. С.87-95.94А. Гинзбург Н.С., Заславский В.Ю., Песков Н.Ю., Сергеев А.С., Аржанников А.В.,

170. ЮЗА. Гинзбург Н.С., Песков Н.Ю., Сергеев А.С. Влияние дифракционных эффектов на электродинамические характеристики двумерных брэгговских резонаторов коаксиальной геометрии II ЖТФ. 2003. Т.73, №.12. С.54-65.