Впервые создан широкополосный плазменный релятивистский СВЧ-генератор на основе гладкого волновода, в котором электронный поток осаждается на стенки волновода, а плазменный волновод располагался внутри этого потока. Такая конфигурация позволяет легко охлаждать систему, что важно для частотно-периодического режима работы. В используемых ранее плазменных мазерах электронный поток распространялся внутри плазменного волновода и осаждался на внутренние детали конструкции. В результате они перегревались, появлялись дополнительные молекулы газа и плазма. При коротких импульсах и в режиме генерации однократных импульсов последствия перегрева существенно не влияли на работу системы. В случае же частотно-периодического режима это делает невозможной нормальную работу генератора. В традиционных плазменных мазерах отвод тепла является трудоемкой задачей, существенно усложняющей конструкцию и приводящей к снижению эффективности генерации. Целью настоящей работы было проверить работоспособность плазменного мазера, в котором электронный поток распространяется снаружи от плазмы и осаждается на стенки волновода. В работе продемонстрирована возможность электронной перестройки частоты излучения от импульса к импульсу в диапазоне 3–9 ГГц при мощности 20 МВт. Тем самым доказана возможность построения плазменного мазера с широкой перестройкой частоты излучения в периодическом режиме следования импульсов с большой частотой повторения. Данная работа является началом исследования возможности построения высокоэффективного широкополосного генератора, который сможет работать в частотном режиме длительное время.
Для частотно-временного анализа нестационарных сигналов традиционно применяются различные варианты быстрого преобразования Фурье, а также более сложный в реализации вейвлет-анализ. В настоящей работе рассматривается упрощённый подход для быстрой обработки и анализа сигналов, основанный на измерении временных интервалов между локальными экстремумами (максимумами) осциллограммы. Обратная величина этого интервала называется мгновенной частотой. Этот метод позволяет исследовать сложные по частотно-временной структуре СВЧ-импульсы, даёт представление об изменении спектрального состава излучения в течение импульса, прост в реализации. Применение «метода мгновенной частоты» рассматривается на примере квазимонохроматических сигналов, сигналов с перескоком частот, сигналов с дрейфом частоты и шумовых сигналов, генерируемых мощными релятивистскими плазменными источниками СВЧ-излучения в интервале частот 0–4 ГГц. Метод позволяет эффективно сравнивать однотипные сигналы, а также строить трёхмерное изображение мгновенной частоты в координатах частота-время.
Предложен метод определения мощности импульса или его фрагмента, основанный на понятии эффективного импульса, эффективной мощности и эффективного времени. Данная методика не зависит от формы и длительности осциллограммы импульса, а использует только вычисление энергии и определение координат центра тяжести квадрата амплитуды импульса. Это позволяет стандартизировать процедуру цифровой обработки сигнала для определения мощности независимо от длительности и формы импульса и спектрального состава.
Впервые создан плазменный мазер, работающий по принципу СВЧ-генератора на линии с магнитной самоизоляцией (magnetically insulated transmission line oscillator, MILO). Для получения одиночных импульсов напряжения 550 кВ и длительностью 3 нс использовался генератор с импедансом 33 Ом. Малая длительность импульса определяла режим работы мазера – сверхширокополосное усиление шума в полосе частот от 0,6 до 5 ГГц. Максимальное измеренное электрическое поле волны соответствовало мощности излучения свыше 500 МВт.