ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. ISSN 1684-1719. 2020. № 12
Оглавление выпускаТекст статьи (pdf)
DOI https://doi.org/10.30898/1684-1719.2020.12.21
УДК 537.86+621.385.6
Формирование сверхмощных микроволновых импульсов в системах стретчер-усилитель-компрессор
Л. А. Юровский, И. В. Зотова, Э. Б. Абубакиров, Р. М. Розенталь, А. С. Сергеев, Н. С. Гинзбург
Институт прикладной физики РАН, 603950, г. Нижний Новгород, ул. Ульянова, д. 46
Статья поступила в редакцию 24 декабря 2020 г.
Аннотация. Теоретически исследована возможность формирования сверхмощных ультракоротких СВЧ импульсов методом Chirped-Pulse Amplification (CPA), широко используемым в физике лазеров. Метод основан на предварительном растяжении начального импульса в стретчере, последовательном по времени усилении спектральных компонент в широкополосном усилителе и заключительном сжатии в линии с отрицательной дисперсией (компрессоре). Рассмотрены схемы, в которых в качестве диспергирующих элементов (стретчера и компрессора) используются волноводы с многозаходной винтовой гофрировкой, а в качестве усилителя – релятивистская черенковская ЛБВ или винтовая гиро-ЛБВ. Для параметров экспериментально реализованных усилителей диапазона 30 ГГц показано, что пиковая мощность импульсов в системах «стретчер-усилитель-компрессор» существенно превосходит не только уровень насыщения усилителя, но и более чем в 4 раза мощность запитывающего электронного пучка.
Ключевые слова: ультракороткие микроволновые импульсы, компрессия усиленных чирпированных импульсов, винтовая гиро-ЛБВ, релятивистский черенковский усилитель.
Abstract. We theoretically investigate the possibility of generating ultra-high-power ultrashort microwave pulses based on the Chirped-Pulse Amplification (CPA) method, which is widely used in laser physics. This method includes preliminary elongation of the initial pulse in a stretcher, sequential amplification of spectral components in a broadband amplifier, and compression in a line with negative dispersion (compressor). We consider the scheme in which waveguides with multi-fold helical corrugation are used as dispersing elements (stretcher and compressor), and a relativistic Cherenkov TWT or helical gyro-TWT is used as an amplifier. For the parameters of experimentally realized amplifiers in the 30 GHz range, we show that the peak pulse power in the stretcher-amplifier-compressor system significantly exceeds not only the saturation level of the amplifier, but also more than 4 times higher than the power of the used electron beam.
Key words: ultrashort microwave pulses, compression of amplified chirped pulses, helical gyro-TWT, relativistic Cherenkov amplifier.
Литература
1. Strickland D., Mourou G. Compression of amplified chirped optical pulses. // Optics Communications. 1998. Vol.56. No.3. P.219-221. https://doi.org/10.1016/0030-4018(85)90120-8
2. Lozhkarev V.V., Freidman G.I., Ginzburg V.N., Katin E.V., Khazanov E.A., Kirsanov A.V., Luchinin G.A., Mal'shakov A.N., Martyanov M.A., Palashov O.V., Poteomkin A.K., Sergeev A.M., Shaykin A.A. and Yakovlev I.V. Compact 0.56 Petawatt laser system based on optical parametric chirped pulse amplification in KD*P crystals. // Laser Physics Letters. 2007. Vol.4. No.6. P.421-427. https://doi.org/10.1002/lapl.200710008
3. Bratman V.L., Cross A.W., Denisov G.G., He W., Phelps A.D.R., Ronald K., Samsonov S.V., Whyte C.G., Young A.R. High-Gain Wide-Band Gyrotron Traveling Wave Amplifier with a Helically Corrugated Waveguide. // Physical Review Letters. 2000. Vol.84. No.12. P.2746-2749. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.84.2746
4. Samsonov S.V., Gachev I.G., Denisov G.G., Bogdashov A.A., Mishakin S.V., Fiks A.S., Soluyanova E.A., Tai E.M., Dominyuk Y.V., Levitan B.A., Murzin V.N. Ka-Band Gyrotron Traveling-Wave Tubes With the Highest Continuous-Wave and Average Power. // IEEE Transactions on Electron Devices. 2014. Vol.61. No.12, P.4264-4267. https://doi.org/10.1109/TED.2014.2364623
5. Abubakirov E.B., Konyushkov A.P., Leontyev A.N., Rozental R.M., Tarakanov V.P. Multi-pass relativistic traveling-wave tube with simultaneous operation on symmetric and asymmetric modes. // Physics of Plasmas. 2020. Vol.27. No.7. P.073104-1/6. https://doi.org/10.1063/5.0006181
6. Shiffer D., Nation J.A., Kerslick G.S. A high-power traveling wave tube amplifier. // IEEE Transactions on Plasma Science. 1990. Vol.18. No.3. P.546-552. https://doi.org/10.1109/27.55926
7. Cooke S.J., Denisov G.G. Linear theory of a wide-band gyro-TWT amplifier using spiral waveguide. // IEEE Transactions on Plasma Science. 1998. Vol.26. No.3. P.519–530. https://doi.org/10.1109/27.700786
8. Гинзбург Н.С., Юровский Л.А., Вилков М.Н, Зотова И.В., Сергеев А.С., Самсонов С.В., Яковлев И.В. Растяжение, усиление и компрессия микроволновых импульсов с использованием спирально гофрированных волноводов. // Известия вузов. Радиофизика. 2019. Т.62. №7. С.528–538. https://doi.org/10.1007/s11141-020-09993-z
9. Abubakirov E.B., Denisenko A.N., Fuks M.I., Kolganov N.G., Kovalev N.F., Petelin M.I., Savelyev A.V., Schamiloglu E., Soluyanov E.I., and Yastrebov V.V. An X-band gigawatt amplifier. // IEEE Transactions on Plasma Science. 2002. Vol.30. No.3. P.1041-1052. https://doi.org/10.1109/TPS.2002.801601
10. Ginzburg N.S., Novozhilova Yu.V., Sergeev A.S., Peskov N.Yu., Zotova I.V., Phelps A.D.R., Cross A.W., Wiggins S.M., He W., Ronald K., Shpak V.G., Yalandin M.I., Shunailov S.A., Ulmaskulov M.R., Tarakanov V.P. Generation of powerful subnanosecond microwave pulses by intense electron bunches moving in a periodic backward wave structure in the superradiative regime. // Physical Review E. 1999. Vol.60. No.3. P.3297-3304. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.60.3297
11. Korovin S.D., Eltchaninov A.A., Rostov V.V., Shpak V.G., Yalandin M.I., Ginzburg N.S., Sergeev A.S., Zotova I.V. Generation of Cherenkov superradiance pulses with a peak power exceeding the power of the driving short electron beam. // Physical Review E. 2006. Vol.74. No.1. P.016501-1/8. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.74.016501
Для цитирования:
Юровский Л.А., Зотова И.В., Абубакиров Э.Б., Розенталь Р.М., Сергеев А.С., Гинзбург Н.С. Формирование сверхмощных микроволновых импульсов в системах стретчер-усилитель-компрессор. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2020. №12. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2020.12.21