Генерация периодических последовательностей ультракоротких микроволновых импульсов в процессах нелинейного электронно-волнового взаимодействия: пассивная синхронизация мод, солитоны, автомодельные решения

Проект направлен на теоретическое и экспериментальное исследование новых методов генерации одиночных ультракоротких микроволновых импульсов (УКИ) и их периодических последовательностей на основе эффектов нелинейного электронно-волнового взаимодействия, включая сверхизлучение (СИ) электронных сгустков, синхронизацию мод в электронных генераторах, а также формирование солитонов самоиндуцированной прозрачности в условиях циклотронного резонансного поглощения электронными потоками. Перечисленные методы генерации УКИ имеют в своей основе аналогию с эффектами, известными в физике лазеров и реализующимися при резонансном взаимодействии излучения с активными (инвертированными) и пассивными (неинвертированными) средами. В то же время при перенесении в классическую электронику возникает значительная специфика, обусловленная тем, что электронные пучки представляют собой движущиеся активные или пассивные среды, для которых принципиальна конечность времени пролета частиц через пространство взаимодействия. Это, в частности, приводит к возможности формирования периодических последовательностей микроволновых солитонов, а в ряде случаев обеспечивает превышение пиковой мощности генерируемых УКИ над мощностью запитывающих электронных пучков.Методической основой проекта является использование аналитических подходов, развитых в современной нелинейной динамике, включая групповой анализ (теория групп Ли), построение солитонных и автомодельных решений, анализ характера модуляционной неустойчивости в рассматриваемых системах в сочетании с численным моделированием нестационарных самосогласованных уравнений. Это дает возможность не только проанализировать различные механизмы генерации УКИ, но и выявить универсальные физические закономерности, на основе которых будут определены оптимальные режимы и параметры для экспериментальной реализации исследуемых схем. Предлагаемый подход представляется перспективным как с точки зрения повышения пиковой мощности в уже реализованных схемах генераторах и усилителях УКИ, включая генераторы микроволнового сверхизлучения, так и для развития новых перспективных схем. К последним относятся предложенные с участием исполнителей проекта два новых для микроволновой электроники метода генерации последовательностей УКИ, первый из которых основан на эффекте формирования солитонов при резонансном циклотронном взаимодействии со встречным прямолинейным электронным пучком, а второй – на эффекте пассивной синхронизации мод в электронном генераторе с нелинейным поглотителем в цепи обратной связи. Достоинством указанных методов является, с одной стороны, когерентность формируемых ультракоротких импульсов, имеющих коррелированные фазы, а с другой, – возможность реализации высокой частоты следования УКИ до десятков мегагерц.