Физика плазмы, 2019, T. 45, № 4, стр. 335-345

1. ВВЕДЕНИЕ

Источник СВЧ-излучения называется сверхширокополосным, если $2({{f}_{2}} - {{f}_{1}}){\text{/}}({{f}_{1}} + {{f}_{2}}) > 0.2$, здесь ${{f}_{1}}$ и ${{f}_{2}}$ – нижняя и верхняя частоты в спектре СВЧ-импульса, отсчитываемые по уровню 10 дБ. Кроме того, абсолютное значение полосы частот должно быть >0.5 ГГц. Известны мощные источники сверхширокополосного излучения, принцип действия которых основан на преобразовании мощного высоковольтного электрического видеоимпульса в электромагнитное излучение [1]. Созданы СШП-устройства, в которых центральная частота излучения определяется длительностью видеоимпульса и не перестраивается. Энергия СВЧ-импульсов в таких устройствах не превышает 1 Дж при длительности биполярного импульса напряжения на входе одной антенны 2–3 нс и далее уменьшается с уменьшением длительности импульса. В этих устройствах при длительности биполярного импульса 3 нс центральная частота СШП импульса равна 0.3 ГГц, а при 0.25 нс центральная частота равна 4 ГГц. Нам известна только одна работа [2], в которой описан СШП источник, с перестройкой частоты. В этом источнике монополярный высоковольтный импульс напряжения проходит через нелинейную передающую линию и затем подается на антенну. Использование нелинейной передающей линии приводит к амплитудной модуляции импульса напряжения. Центральная частота спектра излучения изменяется в пределах 0.5–1.3 ГГц за счет изменения амплитуды высоковольтного импульса напряжения в два раза. При этом энергия СШП-импульса на высоких частотах уменьшается в 4 раза.

В плазменном релятивистском источнике сверхширокополосного СВЧ-излучения происходит усиление собственных шумов релятивистского электронного пучка при инжекции его в плазму. Усиление плазменных волн основано на эффекте Черенкова. Теоретические основы явлений в плазменных релятивистских СВЧ-источниках изложены в книге [3] и в статьях [4, 5]. Плазменный СВЧ-источник формирует радиоимпульс. Средняя частота спектра этого импульса определяется плотностью плазмы и не зависит от его длительности. Это позволяет перестраивать среднюю частоту СВЧ-излучения, изменяя плотность плазмы, не уменьшая энергию СВЧ-импульса. Увеличение длительности импульса тока РЭП приводит к увеличению энергии СВЧ-импульса.

2. СХЕМА ЭКСПЕРИМЕНТА И ДИАГНОСТИКИ

Схема сверхширокополосного плазменного релятивистского СВЧ-источника представлена на рис. 1.

Рис. 1.

Схема эксперимента: 1 – катод ускорителя, 2 – РЭП, 3 – металлический волновод, 4 – плазма, 5 – коллектор, 6 – коаксиальный волновод, 7 – рупор, 8 – СВЧ-поглотитель, 9 – калориметр, 10 – приемная антенна.

Электронный пучок с энергией электронов 500 кэВ и током 2 кА формируется в магнитоизолированном диоде. Отрицательный импульс высокого напряжения подается на катод ускорителя 1. Электронный пучок 2 инжектируется вдоль оси z круглого металлического волновода 3 предварительно заполненного трубчатой плазмой 4. Плазма 4 и металлический волновод 3 образуют плазменный волновод. Пучок и плазма находятся в однородном продольном магнитном поле (0.45 Тл). Трубчатый РЭП распространяется в продольном магнитном поле и попадает на коллектор 5. Ток РЭП и ток плазмы проходят по коллектору и замыкаются на металлический волновод 3. СВЧ-волна возбуждается в плазменном волноводе, затем распространяется по вакуумному коаксиальному волноводу 6 и затем попадает в излучающее устройство, которое состоит из коллектора 5 и рупора 7. Для подавления режима генерации в волновод 3 помещен керамический СВЧ-поглотитель 8. Излучение регистрируется в окружающем пространстве на выходе из рупора. Полная энергия СВЧ-импульса измеряется калориметром 9, а поперечная компонента электрического поля, лежащая в плоскости рисунка, измеряется приемной антенной 10. Как показано, в наших предыдущих работах излучающее устройство, представленное на рис. 1, создает на оси СВЧ-пучка линейно поляризованное излучение [6, 7].

Приведем геометрические параметры схемы эксперимента. Радиус волновода 3 равен 5 см, средний радиус трубчатой плазмы равен 2 см, средний радиус трубчатого РЭП равен 1.3 см, длина плазмы – 70 см, размер области усиления плазменных волн – 40 см, диаметр рупора – 16 см.

Сигнал с приемной штыревой антенны, расположенной на оси калориметра на расстоянии 25 мм от его поверхности, через аттенюатор 63 дБ поступал на вход скоростного осциллографа с полосой частот до 4 ГГц. Полная энергия СВЧ-импульса измерялась калориметром [8] с диаметром 50 см, расположенным на расстоянии z от апертуры рупора. Для получения достоверного спектра широкополосного СВЧ-сигнала была подобрана длина приемной антенны. Подбор антенны осуществлялся на основании результатов модельных измерений, в ходе которых на антенны разной длины подавались СВЧ-сигналы с разными частотами. Оказалось, что приемная антенна длиной 35 мм является наиболее широкополосной в диапазоне частот 2–4 ГГц, диаметр антенны был равен 3 мм. Этот результат был подтвержден численным моделированием, проведенным посредством кода “КАРАТ” [9, 10]. Согласно расчету, электрическое поле плоской волны с поляризацией вдоль антенны с напряженностью 1 кВ/см и частотами 2, 3 и 4 ГГц создает в кабеле приемной антенны (см. рис. 1) напряжение 0.98, 0.75 и 0.72 кВ соответственно. Значения напряжения, регистрируемые осциллографом, с учетом ослабления сигнала аттенюатором 63 дБ, а также с учетом затухания в кабеле длиной 20 м, в этом случае составляют соответственно 0.49, 0.335 и 0.32 В.

Плазма создавалась вспомогательным электронным пучком, энергия электронов в котором составляла 600 эВ [11]. Плазменный источник включался за 100 мкс до импульса тока РЭП. Вспомогательный электронный пучок за время импульса создавал плазму в ксеноне при давлении 10^–4 Торр. Согласно [11], плотность плазмы, созданной таким образом, оказывается пропорциональна величине тока вспомогательного пучка. Так что значения тока вспомогательного пучка могут быть использованы для относительных измерений плотности плазмы n. Согласно аналитическим расчетам, усиление плазменных волн РЭП в диапазоне частот 2–4 ГГц имеет место при плотности плазмы (1–1.6) × 10¹² см^–3. Следует отметить, что РЭП за время импульса тока 0.5 мкс создает ионы ксенона с плотностью 10¹¹ см^–3, что меньше плотности плазмы, заготовленной вспомогательным электронным пучком, и даже меньше плотности электронов РЭП.

3. ИЗМЕРЕНИЕ СПЕКТРОВ ИЗЛУЧЕНИЯ

В работе [12] при проведении исследований по усилению монохроматического СВЧ-излучения использовалась схема, близкая к представленной на рис. 1. Основное отличие схемы, применяемой в [12] от схемы, показанной на рис. 1, заключалось в наличии узла ввода излучения от магнетронов, через который на вход плазменного усилителя подавался внешний монохроматический СВЧ-сигнал. Спектры СВЧ-импульсов, полученных при подаче на вход устройства сигналов с тремя различными частотами, представлены на рис. 2. Частота выходных сигналов равна частоте входных сигналов. Мощность выходных сигналов 100–150 МВт, длительность СВЧ-импульсов не менее 300 нс.

Рис. 2.

Спектры сигналов, полученных на плазменном релятивистском СВЧ-усилителе монохроматических сигналов. Спектры излучения на частотах 2.7 и 2.4 ГГц смещены вверх на 0.05 и на 0.1 отн. ед. соответственно.

В настоящем эксперименте электромагнитное поле в плазме, создаваемое внешним источником, отсутствует. Начальный уровень электромагнитного поля в плазме создается самим РЭП. Наличие такого поля доказывает факт регистрации СВЧ-излучения при распространении РЭП в волноводе в отсутствие плазмы [13]. На рис. 3 приведен интегральный спектр СВЧ-излучения РЭП в вакууме (давление остаточного газа 2 × × 10^‒5 Торр). При регистрации излучения в вакууме, сигнал с антенны перед входом осциллографа ослаблялся на 23 дБ. В левом верхнем углу рис. 3 также приведены осциллограммы $U(t)$ СВЧ-излучения и импульса напряжения на катоде ускорителя.

Рис. 3.

Спектр излучения при n = 0 – внизу, осциллограммы импульса напряжения на катоде ускорителя и сигнала с приемной антенны – слева вверху.

Почти сплошной спектр наблюдается на частотах выше 1.4 ГГц. Следует обратить внимание на то, что электромагнитные волны с частотой меньшей 1.8 ГГц не могут распространяться в пустом волноводе с радиусом 4.9 см. В то время как распространение в таком волноводе волн, связанных с колебаниями пространственного заряда пучка, возможно и на более низких частотах. Наблюдаемый спектр излучения определяется спектром колебаний тока пучка и частотными характеристиками коллекторной части усилителя. Колебания тока РЭП связаны с его нестабильностью, которая возникает при эмиссии электронов из взрывоэмиссионного катода [14, 15].

При инжекции РЭП в плазму интенсивность СВЧ-излучения возрастает примерно на 40 дБ по сравнению с интенсивностью излучения в вакууме, поэтому при приеме СВЧ-сигналов, полученных в плазме, на вход осциллографа устанавливался аттенюатор 63 дБ.

Мощное излучение из плазмы наблюдалось в определенном диапазоне значений плотности плазмы. Зависимость величины $\int {{{U}^{2}}} dt$, пропорциональной плотности энергии СВЧ-излучения на оси калориметра, от плотности плазмы показана на рис. 4. Каждая точка на рис. 4 соответствует среднему значению величины $\int {{{U}^{2}}} dt$ за десять СВЧ-импульсов. Видно, что в диапазоне значений плотности плазмы от 9 до 14 отн. ед. значение $\int {{{U}^{2}}} dt$ почти постоянно.

Рис. 4.

Зависимость величины $\int {{{U}^{2}}dt} $ от плотности плазмы.

СВЧ-импульсы и их спектры, полученные при различных значениях плотности плазмы n, измеренной в относительных единицах, приведены на рис. 5. Из представленных на рис. 5 спектров можно заключить, что регистрируемое СВЧ-излучение является сверхширокополосным. Так спектры, представленные на рис. 5а и 5б удовлетворяют определению СШП сигнала $2({{f}_{2}} - $ $ - \;{{f}_{1}}){\text{/}}({{f}_{1}} + {{f}_{2}}) = 0.5{\kern 1pt} - {\kern 1pt} 0.6 > 0.2$ при абсолютном значении полосы частот 1.1–1.3 ГГц. На рис. 5в ограничение на высоких частотах связано с наличием у осциллографа верхней границы полосы частот. Спектры рис. 5 возникают в результате усиления шумов РЭП, и не связаны с переходом устройства в режим генерации. Для доказательства этого утверждения из плазменного волновода (рис. 1) был удален СВЧ-поглотитель, т.е. был увеличен коэффициент обратной связи. Это привело к резкому сокращению ширины спектра, стал наблюдаться режим генерации на частотах оптимальных для данной длины плазменного волновода, рис. 6.

Рис. 5.

Спектры сигналов плазменного СВЧ-усилителя шумов РЭП при различных значениях плотности плазмы: а) n = 8, б) n = 11.4, в) n = 16 отн. ед.

Рис. 6.

Спектр излучения плазменного СВЧ-генератора. Спектр получен на установке рис. 1 без СВЧ-поглотителей.

Как следует из рис. 5, средняя частота излучения плазменного СВЧ-усилителя шумов РЭП растет с увеличением плотности плазмы. Средней частотой СВЧ-импульса будем называть частоту ${{f}_{0}}$, при которой энергия излучения на частотах менее ${{f}_{0}}$ равна энергии на частотах более ${{f}_{0}}$. Экспериментальная зависимость средней частоты излучения усилителя от плотности плазмы показана на рис. 7.

Рис. 7.

Зависимость средней частоты излучения усилителя шумов РЭП от плотности плазмы.

Сравним представленные на рис. 7 экспериментальные результаты с результатами расчетов, полученных на основе линейной теории [3]. Расчетная зависимость линейного коэффициента усиления электрического поля Е от частоты монохроматического входного сигнала для трех значений плотности плазмы на длине взаимодействия электронного пучка с плазмой 50 см показана на рис. 8.

Рис. 8.

Расчетная зависимость линейного коэффициента усиления электрического поля Е от частоты монохроматического входного сигнала для значений плотности плазмы: 1 – $n = 1 \times {{10}^{{12}}}\quad$ см^–3, 2 – $n = 1.3 \times {{10}^{{12}}}\quad$ см^–3, 3 – $n = 1.6 \times {{10}^{{12}}}\quad$ см^–3.

Линейная теория предсказывает, что максимальные значения коэффициента усиления в диапазоне изменения плотности плазмы (1–1.6) × × 10¹² см^–3 на длине 50 см в геометрии, представленной на рис. 1, при энергии электронов 500 кэВ и токе пучка 2 кА, изменяются в диапазоне от 35 дБ до 42 дБ. Эти значения близки к экспериментальной оценке коэффициента усиления шумов РЭП – 40 дБ. Согласно расчету, при увеличении плотности плазмы в 1.6 раза напряженность электрического поля должна возрастать в 2.5 раза, тогда как в эксперименте при изменении плотности плазмы в 2 раза (от 8 до 14 отн. ед.) амплитуда СВЧ-сигнала не изменяется. Это означает, что в эксперименте реализуется нелинейный режим усиления и применение линейной теории некорректно. Тем не менее, закон изменения средней частоты от плотности плазмы в эксперименте примерно совпадает с расчетной зависимостью частоты, которой соответствует максимальное значение коэффициента усиления, от плотности плазмы. А именно, в обоих случаях для перестройки частоты от 2.4 до 3.5 ГГц необходимо увеличить плотность плазмы примерно в 1.5 раза, рис. 7 и 8.

4. СРАВНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА С РЕЗУЛЬТАТАМИ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПОСРЕДСТВОМ КОДА “КАРАТ”

В ходе численного моделирования определялись значения мощности излучения P в круге диаметром 50 см, что совпадает с диаметром калориметра в эксперименте, и электрического поля Е на оси рупора. Целью моделирования было сравнение результатов расчета с измеряемыми величинами: энергией в калориметре W и электрическим полем Е на приемной антенне. Моделирование с помощью кода “Карат” сводится к численному решению системы уравнений Максвелла при выбранных граничных и начальных условиях в 3D счетной области, геометрические размеры которой совпадают с размерами экспериментального устройства. В данном случае моделировалась лишь часть экспериментальной установки, а именно, коаксиальный волновод 6, коллектор 5, рупор 7 и часть свободного пространства за ним, см. рис. 1. Поверхности элементов считались идеально проводящими. Внешняя граница свободной зоны при моделировании рассматривалась как идеальный поглотитель. Граничные условия на входе в коаксиальный волновод слева соответствовали запуску ТЕМ волны, моделирующей волну на выходе плазменно-пучкового СВЧ-усилителя. В данных расчетах ТЕМ волна состоит из суммы нескольких гармонических колебаний в диапазоне частот от 1.8 до 3.5 ГГц. Этот диапазон был выбран для сравнения результатов расчета и эксперимента при n = = 11.4 отн. ед., рис. 4. Фазы гармоник равномерно распределены от 0 до 360°, амплитуды гармоник лежат в интервале от 90 до 110% задаваемой амплитуды. Перечисленные выше параметры в совокупности позволяют получить электромагнитное поле в точке z = 80 см с почти сплошным спектром в диапазоне частот от 1.8 до 3.5 ГГц с амплитудой изменяющейся не более, чем в 2 раза.

На рис. 9 показана расчетная зависимость E²(t) (рис. 9а) и экспериментальная зависимость ${{U}^{2}}(t)$ (рис. 9б). На обоих графиках мгновенные максимальные значения Е² и ${{U}^{2}}$ сильно отличаются от средних значений, ${{E}^{2}}{\text{/}}\langle {{E}^{2}}\rangle = 10$, ${{U}^{2}}{\text{/}}\langle {{U}^{2}}\rangle = 4.4$. В расчете входная мощность постоянна и поэтому среднее значение на выходе за 40 нс оказывается константой. Другими словами, увеличение интервала усреднения на временах более 40 нс не приводит к изменению величины $\langle {{E}^{2}}\rangle $. Для сравнения с расчетом измерялось среднее значение $\langle {{U}^{2}}\rangle $ на участке осциллограммы длительностью 40 нс в области максимальных значений $U(t)$, где можно считать, что выходная мощность постоянна.

Рис. 9.

Расчетная зависимость Е²(t) (а) и экспериментальная зависимость U²(t) (б). Обе зависимости построены для z = 80 cм.

На рис. 10а приведены расчетная и экспериментальная зависимости величины $\langle {{U}^{2}}\rangle $ от z. Отметим, что при получении расчетной зависимости сначала определялось электрическое поле, а затем, в соответствии с результатами численного моделирования, (см. раздел 2) значения Е пересчитывались в значения U. При расчете зависимости $\langle {{U}^{2}}\rangle $ от z предполагалось, что полная мощность излучения составляет 75 МВт. При этом значении мощности экспериментальная и расчетная зависимости $\langle {{U}^{2}}\rangle $ от z в области z = 40–80 см совпадают. На рис. 10б приведены экспериментальная зависимость энергии (z) и расчетная зависимость мощности $P(z)$ в круге диаметром 50 см. Величины W являются значениями поглощенной в калориметре энергии, усредненными по 10 импульсам для значений плотности плазмы от 8 до 14 отн. ед. Расчетные значения $P(z)$ резко уменьшаются при увеличении z. Это объясняется широкой диаграммой направленности рупора, поскольку $D\sim \lambda $. В предположении, что вся мощность СВЧ-излучения поглощается калориметром, экспериментальная зависимость энергии $W(z)$ и расчетная зависимость мощности $P(z)$ в круге диаметром 50 см должны быть пропорциональны друг другу. Однако, как видно из рис. 10б, значения $W(z)$ и $P(z)$ не пропорциональны. Это расхождение объясняется тем, что часть мощности отражается от калориметра. При нормальном падении плоской волны на поверхность калориметра коэффициент отражения составляет 10%. Как показывает расчет, при z = 80 см поле на оси СВЧ-пучка не имеет компоненты ${{E}_{z}}$, тогда как при сокращении расстояния до z = 40 см компонента ${{E}_{z}}$ даже на оси СВЧ-луча пучка перестает быть равной нулю. Волну нельзя считать плоской. Сильное отражение излучения от поверхности калориметра при малых z приводит к сильному расхождению результатов эксперимента и расчета. Для проверки приведенного выше утверждения о причине расхождения результатов эксперимента и расчета был проведен следующий эксперимент. Между рупором и калориметром, который располагался на расстоянии 70 см от вакуумного окна рупора с диаметром 16 см, был вставлен дополнительный рупор. Этот рупор имел длину 65 см, входной диаметром 20 см и выходной диаметр 44 см. Дополнительный рупор создавал на поверхности калориметра СВЧ-пучок с диаметром меньшим диаметра калориметра и уменьшал угол падения излучения на поверхность калориметра. В диапазоне изменения плотности плазмы от 8 до 14 отн. ед. была зарегистрирована средняя энергия СВЧ-импульсов 7 Дж (5‒9 Дж). Согласно расчету, измеренная величина энергии в калориметре W(z = 80 см) = 3 Дж должна регистрироваться при полной энергии СВЧ-импульса 15 Дж. Таким образом, дополнительный рупор позволил увеличить долю излучения, поглощенную калориметром. Таким образом, можно утверждать, что полная энергия СВЧ‑импульса превышает 5 Дж, зарегистрированные на расстоянии z = 40 см.

Рис. 10.

Расчетная (ромбы) и экспериментальная (квадраты) зависимости величин $\langle {{U}^{2}}\rangle $, W, P от z: расчетная и экспериментальная зависимости величины $\langle {{U}^{2}}\rangle (z)$ (а); экспериментальная зависимость энергии W(z) и расчетная зависимость мощности P(z) в круге диаметром 50 см (б).

5. АВТОКОРРЕЛЯЦИОННЫЕ ФУНКЦИИ

О качестве шумового излучения можно судить по виду автокорреляционных функций СВЧ-сигналов, рис. 11.

Рис. 11.

Автокорреляционные функции: n = 0 (а), 11.4 отн. ед (б), n = 0, использован полосовой фильтр 1.8 ГГц < f < < 3.5 ГГц (в).

На рис. 11а и б приведены автокорреляционные функции для значений плотности плазмы n = 0 и 11.4. Видно, что время корреляции при инжекции РЭП в плазму резко возрастает, т.е. сигнал становится более регулярным. На рис. 11в построена автокорреляционная функция СВЧ-сигнала для n = 0, пропущенного через полосовой фильтр 1.8 ГГц < f < 3.5 ГГц. Полоса частот фильтра совпадает с наблюдаемым диапазоном частот излучения при n = 11.4 отн. ед. Время корреляции на рис. 11б и в совпадает. Таким образом, различие функций корреляции при n = 0 и 11.4 отн. ед. объясняется тем, что полоса частот плазменного СВЧ-усилителя ограничена, и усиливается только часть спектра шумов РЭП. Автокорреляционный анализ СВЧ-сигналов подтверждает, что наблюдаемые сигналы представляют собой именно усиленные шумы РЭП, причем спектр этих шумов одинаков как при инжекции РЭП в вакуум, так и в плазму. Это еще раз приводит нас к выводу, что источником шумов РЭП являются процессы на взрывоэмиссионном катоде.

Отметим, что время автокорреляции не равно нулю и при n = 0. Это связано не только с ограниченностью полосы частот осциллографа. Оба сигнала при n = 0 и 11.4 имеют модуляцию по амплитуде с характерным периодом 2–4 нс, она свидетельствует о наличии регулярных процессов на катоде взрывоэмиссионного катода, см. рис. 9, 12. Масштаб периода модуляции сигнала U(t) определяется длительностью существования эмиссионных центров на катоде ускорителя и характерным временем возникновения новых эмиссионных центров [13, 14].

Рис. 12.

Зависимости U_eff(t): слева – излучатель видеоимпульса короткой длительности с одной антенной, справа – плазменный релятивистский сверхширокополосный источник.

6. СРАВНЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПЛАЗМЕННОГО СВЕРХШИРОКОПОЛОСНОГО СВЧ-ИЗЛУЧАТЕЛЯ С ПАРАМЕТРАМИ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ ВИДЕОИМПУЛЬСОВ КОРОТКОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТИ

Одним из основных параметров сверхширокополосных СВЧ-источников является эффективный потенциал излучателя ${{U}_{{eff}}} = Ez$. Он измеряется в дальней зоне антенны. Дальняя зона монохроматического излучения находится на расстоянии z от рупора

Из формулы (1) следует, что для частоты 3 ГГц и рупора с диаметром 16 см дальняя зона начинается на расстоянии z = 50 см. Сокращение расстояния между рупором и антенной от 80 до 40 см приводит к увеличению значения измеренного электрического поля в 1.8 раза. Это означает, что область z = 60–80 см находится в дальней зоне. При установке антенны на расстоянии z = 80 cм амплитуда U сигнала со средней частотой 3 ГГц на осциллографе равна 1.7 В. Принимая во внимание, что ослабление сигнала в кабеле между антенной и осциллографом на частоте 3 ГГц составляет 4 дБ, а также то, что перед входом осциллографа сигнал дополнительно ослабляется аттенюатором на 63 дБ, получим, что амплитуда U = 1.7 В на осциллографе соответствует напряжению на антенне 3.8 кВ. Согласно результатам численного моделирования (см. разд. 2), напряжение 3.8 кВ на антенне должно возникать при приеме сигналов с частотой 3 ГГц и напряженности поля Е = 5 кВ/см. Окончательно получаем, что эффективный потенциал равен U_eff = 400 кВ. Это значение сравнимо с эффективным потенциалом известных сверхширокополосных СВЧ-источников видеоимпульсов, использующих одиночную излучающую антенну [1].

Сравнение типичных зависимостей U_eff(t) этих двух сверхширокополосных СВЧ-источников приведено на рис. 12. Один импульс напряжения на катоде ускорителя (500 кВ) плазменного СВЧ-излучателя создает СВЧ-импульс длительностью ~300 нс с амплитудной модуляцией с периодом примерно 2 нс с постоянной максимальной амплитудой в течение ~100 нс, тогда как один импульс напряжения модулятора видеоимпульса (200 кВ) дает один СВЧ-импульс длительностью ~2 нс [1]. Очевидно, что плазменный СВЧ-источник может создать в дальней зоне значительно больший эффективный потенциал при использовании излучающей антенны с поперечным размером $D \gg \lambda $. В настоящем эксперименте $D \geqslant \lambda $. Провести эксперимент с рупором $D \gg \lambda $ в помещении, где расположен ускоритель, нам не удалось. Увеличение диаметра рупора привело бы к увеличению расстояния до дальней зоны, а проведение измерений при z > 80 см невозможно. Выше мы обсуждали принципиальные физические различия двух источников. Следует отметить, что излучатель видеоимпульса имеет ряд технических преимуществ. Во-первых, он более прост, не содержит вакуумных камер. Во-вторых, один модулятор может запитывать антенну, состоящую из нескольких малых антенн, что позволяет создать антенну с малым углом расходимости СВЧ-луча.

Итак, принципиальные физические отличия плазменного сверхширокополосного СВЧ-источника от излучателей видеоимпульса состоят в возможности получения большей энергии в одном импульсе (более 5 Дж), в возможности управления средней частотой СВЧ-сигнала от одного импульса к другому, а также в том, что с увеличением средней частоты энергия СВЧ-импульса не уменьшается.

Работа выполнена при поддержке РФФИ, проект № 16-08-00439.