Линейные, нелинейные и нестационарные явления в нетрадиционных вакуумных и гибридных устройствах терагерцового диапазона (теория и модельные натурные эксперименты)

За весь период выполнения проекта (2018-2020 гг.) получены следующие основные научные результаты: 1 Проведены исследования эффективности клинотронного эффекта при взаимодействии электронного пучка с +1 пространственной гармоникой В.Ч. поля гребенчатой замедляющей системы в модели клинотрона-усилителя на частоте 220 ГГц и энергетических и полосовых характеристик клинотрона-усилителя 2-х миллиметрового диапазона. Сопоставление основных энергетических характеристик клинотронов–усилителей с аналогичными характеристиками ламп бегущей волны показало большую эффективность взаимодействия толстого электронного пучка с В.Ч. полем в клинотронах и перспективность использования в терагерцевом диапазоне клинотронного эффекта в монолучевых источниках излучения со средним уровнем выходной мощности, работающих при невысоких ускоряющих напряжениях. 2 Развита линейная теория волновых процессов, имеющих место при взаимодействии электронного потока с электродинамическими структурами, содержащими поглощающие элементы и метаматериалы. Учет распределения электронов по скоростям в классической модели резистивного усилителя показал, что увеличение разброса по скоростям уменьшает коэффициент усиления. В то же самое время, в метаматериалах, обладающих дисперсиями типа Друде или Друде-Лоренца возможно достижение приемлемых коэффициентов усиления. При учёте конечной величины фокусирующего магнитного поля в рамках модели «бесконечно широкий электронный поток – электромагнитная структура, содержащая метаматериалы» появляются циклотронные волны, которые приводят к увеличению коэффициента усиления при циклотронном резонансе. 3 Построена двумерная линейная теория взаимодействия электронного потока с полями структур, содержащих метаматериалы, с конечным магнитным полем для двух моделей: пучок конечной толщины с полным заполнением пролетного канала и бесконечно тонкий пучок. Получены дисперсионные соотношения, представляющее собой трансцендентные уравнения. С помощью численного решения найдены значения постоянных распространения волн, которые могут возбуждаться в предложенных моделях при различных значениях параметров системы. Найдены как затухающие, так и нарастающие составляющие решения. Установлено, что в случае возбуждения одной из циклотронных волн или волн пространственного заряда удается получить решение в упрощенном виде. В модели бесконечно тонкого пучка показано, что в случае резонанса с медленной циклотронной волной при подборе параметров среды, описываемой моделью Друде, можно добиться существенного увеличения инкремента неустойчивости при резонансе частоты сигнала с плазменной частотой среды. 4 Построена приближенная нелинейная теория клистрона-усилителя, в котором между входным и выходным резонатором вместо пространства дрейфа располагается среда с комплексной проводимостью или метаматериалами с отрицательной диэлектрической проницаемостью. Показано, что в данном случае расстояние между резонаторами можно уменьшить более чем вдвое без снижения выходных характеристик. 5 На примере ЛБВО гибридного типа с развязывающей усиливающей развязкой между входом и выходом исследована система «электронный поток - ВЧ поле электродинамической системы, содержащей метаматериалы». Показано, что в такой модели возможно обеспечивать значительное усиление при сохранении устойчивости и широкополосности. Также была исследована ЛБВО, включающая элемент с внеполосным усилением в виде замедляющей системы, полоса пропускания которой лежит в области частот, более высоких, чем рабочие. Показано, что при частичном перекрытии полос пропускания наблюдается локальное увеличение усиления в рабочем частотном интервале. 6 Построены линейные и приближенные нелинейные теории следующих гибридов с классическими вакуумными СВЧ-приборами: гибрид с КРВ (распределенный резонатор – среда – распределенный резонатор), гибрид с фото-ЛБВ (фотокатод-среда-ЛБВ), гибрид с ЛБВ (ЛБВ-среда-ЛБВ). Показано, что если вместо пространства дрейфа между распределенными резонаторами располагается среда с комплексной диэлектрической проницаемостью или метаматериал, то можно получить больший коэффициент усиления при меньшей полной длине прибора; если вместо пространства дрейфа между фотокатодом и ЛБВ располагается среда с комплексной диэлектрической проницаемостью или метаматериал, то можно получить большее эквивалентное сопротивление прибора при меньшей полной длине прибора; если вместо локального поглотителя или ЗС между двумя ЛБВ располагается среда с комплексной диэлектрической проницаемостью или метаматериал, то можно получить больший коэффициент усиления при меньшей полной длине прибора. Установлено, что для вышеуказанных моделей наблюдается аналог срыва Компфнера. 7 На основе теории электронных пространственных гармоник построена линейная теория дискретного взаимодействия двух попутных и двух встречных электронных потоков, разделенных экраном с отверстиями. Показано, что за счет возбуждения пространственных гармоник более высокого порядка можно добиться значительного расширения области конвективной неустойчивости. 8 В адиабатическом приближении построена линейная теория взаимодействия электронного потока с полями сред с комплексной проводимостью в скрещенных статических электрических и магнитных полях. Показано, что в случае бесконечно тонкого электронного потока можно наблюдать высокие коэффициенты усиления, в то время как в случае потока конечной ширины коэффициент усиления увеличивается при приближении потока к плоским поверхностям с комплексной проводимостью. На основе построенной теории проведена оценка фактора шума для резистивного усилителя М-типа с пучком конечной толщины. Из неё следует, что применение в резистивном усилителе М-типа поверхностей с комплексной проводимостью не дает заметного преимущества ни в увеличении коэффициента усиления, ни в снижении коэффициента шума по сравнению с металлическими поверхностями. 9 Построена теория шумов в вакуумных усилителях, содержащих метаматериалы в электродинамических системах. Установлено, что использование связанных линий передачи перед модулирующим устройством позволяет снизить коэффициент шума приблизительно на 6 дБ. Исследовано подавление шума для сред, содержащих метаматериалы, описываемые моделями Друде и Друде-Лоренца. Показана принципиальная схожесть полученных результатов с результатами модели среды с комплексной проводимостью. 10 Построена аналитическая линейная одномерная теория лампы бегущей волны с двумя электронными потоками, на основе которой проведен анализ возможных режимов работы данной лампы в миллиметровом диапазоне длин волн. 11 На основе волнового метода Овчарова-Солнцева построена приближенная нелинейная теория двухлучевой неустойчивости при взаимодействии двух попутных электронных потоков, позволяющая учитывать такие нелинейные эффекты как возникновение высших гармоник токов и нелинейное ограничение двухпотоковой неустойчивости. На основе построенной теории построены приближенные нелинейные теории двухлучевой ЛБВО и оротрона с двумя взаимодействующими электронными потоками. 12 Разработаны и созданы четыре лабораторных макета кольцевых автогенераторов хаотических диссипативных солитонов. В автогенераторах использовались усилители и насыщающиеся поглотители, выполненные на основе вакуумных ламп микроволнового диапазона. В двух генераторных схемах помимо вакуумных ламп (ЛБВ-подавителя и пролетного клистрона) использовался дополнительный нелинейный твердотельный элемент - линия передачи на магнитостатических спиновых волнах (МСВ). Реализованы режимы генерации хаотических последовательностей диссипативных светлых солитонов огибающей, а также диссипативных многосолитонных комплексов, состоящих либо из светлых, либо из светлых и темных солитонов огибающей. Получены режимы генерации хаотических импульсов «гигантской» амплитуды, являющихся аналогами светлых волн-убийц, а также хаотических импульсов в виде одиночных глубоких провалов, которые являются аналогами темных волн-убийц. Проведена математическая обработка экспериментальных временных рядов, по которым были оценены два старших показателя Ляпунова. Получены ультракороткие импульсы длительностью <10 нс при прохождении длинных прямоугольных радиоимпульсов через ЛБВ, работающую в режиме нелинейного подавления сигнала. На основе нестационарной нелинейной модели проведено моделирование данного режима работы ЛБВ-подавителя, результаты которого находятся в хорошем качественном соответствии с экспериментальными данными.