Нелинейные явления при взаимодействии мощного терагерцового излучения с газами, плазмой и электронными потоками

Определяя наиболее яркие научные направления, как правило, говорят, что 20 век был веком электроники, а 21 век – веком фотоники (оптики). Однако, с начала 21 века внимание ученых оказалось приковано к частотному диапазону, лежащему между радиоволнами и оптическим излучением – так называемому «терагерцовому провалу». В течение долго времени этот диапазон оставался наименее освоенным, в силу принципиальных физических ограничений налагаемых на методы классической вакуумной электроники и квантовой электроники. Вместе с тем, этот диапазон обладает рядом специфических особенностей, делающих его весьма привлекательным для широкого круга прикладных и фундаментальных исследований в области физики, химии, биологии и медицины. Взаимодействию терагерцового излучения  с веществом уделяется большое внимание. При этом, как правило, речь идет о малой мощности излучения, что ограничивает круг задач.

Появление в последние годы мощных источников терагерцового излучения — высокочастотных гиротронов — открыло ранее недоступные возможности по исследованию нелинейного взаимодействия излучения с веществом е в квазиоптических пучках ТГц волн. Сфокусированный в пятно с размером порядка длины волны пучок ТГц излучения с импульсной мощностью в десятки-сотни кВт позволяет получить разряд в газе, находящемся под атмосферным давлением. Уникальной особенностью ТГЦ разряда является возможность получения плотной плазмы с концентрацией на уровне 10¹⁶ — 10¹⁷ см^-3 и температурой электронов до 100 эВ. В проекте изучалась физика нелинейных явлений, возникающих при взаимодействии ТГц волн с газами и плазмой, применение этих явлений для практических задач, а также разработка для этих целей еще более мощных источников ТГц излучения на основе когерентного излучения электронных потоков и исследование сопутствующих нелинейных процессов. Исследование процессов зажигания, развития и свечения ТГц разряда представляется важным и интересным не только с точки зрения фундаментальных исследований, но и с практической точки зрения, поскольку в таком разряде можно обеспечить эффективное образование и возбуждение многозарядных ионов, линейчатое излучение которых лежит в области экстремального ультрафиолета (ЭУФ). Малая длина волны ТГц излучения позволяет сделать этот источник практически точечным. Другим актуальным приложением является метод дистанционного обнаружения источников ионизирующего излучения на основе ТГц разряда в воздухе. При создании требующихся для этих приложений гиротронов ТГц диапазона возникает ряд новых задач, связанных с нелинейным взаимодействием электронных пучков и ТГц излучения в резонаторе гиротрона. В частности, в ТГц диапазоне используются сверхразмерные резонаторы с очень плотным спектром мод, поэтому в них становится необходимо учитывать нелинейное взаимодействие большого числа мод, попадающих в полосу циклотронного резонанса.

За время выполнения проекта были получены следующие основные результаты:

1. В рамках самосогласованной модели выполнено исследование динамики разряда в воздухе, инициируемого терагерцовым излучением гиротрона. Найдена временная зависимость коэффициента отражения электромагнитного излучения от образующейся плазмы при различных начальных условиях (при наличии и в отсутствие стороннего ионизирующего источника), а также в зависимости от частоты и размеров фокального пятна сфокусированного терагерцового излучения.

2. Для многомодового гиротрона на частоте 250 ГГц теоретически и экспериментально продемонстрирована возможность одномодовой генерации с достаточно высоким КПД на рабочей моде ТЕ19.8.

3. Исследована возможность инициации разряда, инициируемый излучением гиротрона с рабочей частотой 250 ГГц и мощностью в сотни кВт в атмосферных условиях в присутствии источников ионизирующего излучения (Sr-90). Не зафиксировано существенное влияние потока (75 000 ед/сек в полный телесный угол) бета частиц на вероятность пробоя.

4. Проведены эксперименты по исследованию параметров газового разряда, инициированного излучением гиротрона. В режиме непрерывной генерации на частоте 263 ГГц получен плазменный факел на потоке аргона и аргон-гелиевой смеси во внешней атмосфере воздуха. Разряд наблюдался в широком диапазоне значений мощности и потоков плазмообразующего газа. Результаты эксперимента свидетельствуют, что в спектре присутствует большое число интенсивных ионных линий атомов аргона, азота и кислорода. Электронная температура, оцениваемая методом Орнштейна, составляет 1-2 эВ. Учитывая, что газовая температура разряда не превышает 1500 К, реализуемый факел атмосферного давления является существенно неравновесным. Разряд данного типа может быть интересен в широком спектре плазмохимических приложений. За счет существенной неравновесности энергических характеристик плазмы, становится возможным как повысить скорость диссоциации высокостабильных молекул, так и реализовать новые каналы плазмохимических реакций.

5. Проведен анализ возможности нелинейного преобразования частоты излучения гиротронов в кристаллах GaAs и GaP. Результаты расчетов показали, что для гиротрона с импульсным магнитным полем при частоте генерации 0.5 ТГц и мощности порядка 50 кВт коэффициент преобразования равен 0.1%. Соответственно, можно рассчитывать на получение примерно 5 Вт на удвоенной частоте около 1 ТГц, что достаточно для большинства спектроскопических приложений.

6. Для экспериментов по нелинейному взаимодействию ТГц излучения с газами и полупроводниками разработаны и изготовлены квазиоптические линии передачи, позволяющие сфокусировать микроволновое излучение в апертуры с характерным размером 1-2 длины волны. Показано, что для фокусировки достаточно 2-3 зеркал с квадратичной фазовой коррекцией. Продемонстрировано хорошее совпадение расчетных и экспериментальных характеристик волновых пучков.

7. Исследована светимость кристаллов алюмината кальция (C12A7) под действием мощного микроволнового излучения, однако, в отличие от сделанных предположений (DOI:10.1021/acsnano.7b06277, Ishiyama et al.), разрешающая способность в наших экспериментах на частотах около 250 ГГц оказалось недостаточной для визуализации пространственного распределения СВЧ мощности, что обусловлено расплыванием пространственного распределения за счет теплопроводности материала.

8. В рамках прямого моделирования PIC (particle in cell) показано стабилизирующее действие внешних отражений на работу гиротрона. Впервые использована модель с длительностью временной реализации, позволяющей рассчитывать частотные характеристики с относительной точностью не хуже 2*10^-6. Экспериментально продемонстрировано почти двукратное уменьшение ширины спектра при введении отражений выходного сигнала. Показано, что ввод внешнего сигнала позволяет захватить частоту и фазу рабочей моды гиротрона. При этом продемонстрирована возможность увеличения КПД за счет смещения в область оптимальных расстроек циклотронного резонанса без возбуждения паразитных мод.

9. Предложена и теоретически исследована новая схема гиротрона, основанного на самовозбуждении двух волн в режиме умножения частоты. Схема основана на использовании двухпучковой магнетронно-инжекторной электронной пушки и двухрезонаторной микроволновой системы. Эффективное возбуждение на разных циклотронных гармониках двух волн, имеющих разные (кратные) частоты, достигается в такой схеме благодаря особому выбору радиусов электронных пучков. Один из них взаимодействует (и возбуждает) в первом резонаторе волну на основном циклотронном резонансе, которая обеспечивает правильную модуляцию энергий и фаз электронов второго пучка. Последний за счет этого во втором резонаторе возбуждает вторую волну на умноженной частоте на  высокой циклотронной гармонике. Расчеты предсказывают возможность генерации в таком самовозбуждающемся двухпучковом гироумножителе частоты терагерцового сигнала на третьей циклотронной гармонике с мощностью на уровне нескольких ватт при параметрах электронного пучка, приемлемых для осуществления работы в непрерывном режиме генерации.

10. Теоретически и экспериментально исследованы режимы нелинейного циклотронного взаимодействия излучения с электронными пучками. В частности, экспериментально продемонстрирована возможность трансформации стационарного излучения магнетрона в последовательность наносекундных импульсов при резонансном взаимодействии с первоначально-прямолинейным электронным пучком. Предложена интерпретация указанного эффекта как аналога эффекта оптической самоиндуцированной прозрачности. При этом, в отличие от оптики, многоимпульсный режим формирования СВЧ импульсов связан с движением резонансной пассивной среды – нераскачанного электронного пучка. С практической точки зрения указанный эффект представляет интерес для создания модуляторов СВЧ излучения,  в том числе, - излучения коротковолновых гиротронов.