Управление параметрами собственных колебаний и волн сверхразмерных электродинамических систем

• Автор: Плоткин, Михаил Ефимович
• Шифр специальности: 01.04.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 171 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. Создание новых преобразователей волноводных мод с использованием методов оптимизации и синтеза
1.1. Применение метода связанных волн для расчёта и оптимизации сверхразмерных
волноводных преобразователей
1.1.1. Преобразователь мод круглого волновода ТЕо,і-ТЕо,з
1.1.2. Преобразователь мод круглого волновода ТЕо,4-ТЕо,і
1.1.3. Высокоселективный волноводный ответвитель для резонатора
компрессора СВЧ импульсов типа БЬЕИ-П
1.1.4. Селективный брэгговский резонатор для МСЭ на суперпозиции мод ТЕ, _і
и ТМ],]
1.2. Итерационная методика синтеза волноводных компонентов
1.2.1. Схема итерационного синтеза
1.2.2. Применение метода БИТИ для расчёта полей при итерационной
процедуре синтеза
1.213. Синтез компонентов для выходного преобразователя гироклистрона
ГЛАВА 2. Электродинамические компоненты мощных релятивистских гиротронов и гироклистронов
2.1. Повышение селективности резонаторов гиротронов, работающих на
осесимметричных модах
2.1.1. Использование азимутальной гофрировки для селекции мод в коническом
резонаторе на моду ТЕо.з
2.1.2. Использование щелей в боковой стенке резонатора для улучшения
селекции мод
2.2. Резонатор с гофрированной боковой стенкой для селекции паразитных мод на
второй гармонике циклотронной частоты
2.3. Открытый резонатор эшелеттного типа на комбинированной рабочей моде
2.4. Компоненты мультимегаваттного гироклистрона на частоту 30 ГГц
2.4.1. Компактный ввод мощности в гироклистрон
2.4.2. Квазиоптический выходной преобразователь моды ТЕ53 в моды с простой
поперечной структурой
ГЛАВА 3. Высокоэффективные СВЧ приборы, основанные на эффектах Тальбота
3.1. Использование эффекта Тальбота в установках УТС и приборах мощной СВЧ
электроники
3.2. Способы увеличения эффективности и углового диапазона антенны
дистанционного сканирования волнового пучка
3.2.1. Повышение эффективности антенны путём оптимизации поверхностного
импеданса
3.2.2. Коррекция спектра собственных волн за счёт выбора оптимальной формы
поперечного сечения
3.2.3. Исправление спектра путём нанесения дополнительной гофрировки
боковых стенок
3.3. Исследование эффектов Тальбота в изогнутом волноводе
3.3.1. Эффективность изогнутой антенны при сканировании пучка в плоскости
изгиба
3.3.2. Эффективность изогнутой антенны при сканировании пучка
перпендикулярно плоскости изгиба
ГЛАВА 4. Использование резонаторов с эквидистантным спектром мод для создания квазиоптических ускоряющих структур с высоким градиентом ускорения
4.1. Факторы, препятствующие увеличению градиента в ускорителях электрон-позитронных коллайдеров
4.1.1. Пристеночный СВЧ пробой
4.1.2. Эффект тепловой усталости поверхности металла под действием
импульсного СВЧ нагрева
4.2. Возможности увеличения градиента в многочастотных системах резонаторов с эквидистантным спектром
4.2.1. Сравнение многочастотной и одночастотной структур
4.3. Резонаторы с эквидистантным спектром мод
4.3.1. Возбуждение эквидистантного спектра мод в резонаторах квадратного
сечения
4.3.2. Оптимизация поперечного сечения цилиндрического резонатора для
обеспечения эквидистантного спектра мод
4.3.3. Высокоселективный резонатор типа «фотонной ловушки» (photonic band
gap) с эквидистантным спектром мод
4.3.4. Резонатор прямоугольного сечения с соотношением сторон 1:1,
4.4. Системы питания ускоряющей структуры
4.4.1. Система волноводов с диэлектрическими вставками для питания блока
ускоряющих резонаторов
4.4.2. Способ питания, основанный на эффекте повторения структуры поля, при
помощи вспомогательного пучка
4.4.3. Двухпучковая структура с общими резонаторами для пучков
4.5. Повышение усреднённого градиента ускорения в структуре резонаторов на развитых продольных модах
4.5.1. Возбуждение суперпозиции синхронизованных продольных мод в
объёмных резонаторах
4.5.2. Использование квазиоптических резонаторов на продольных модах
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
Список цитируемой литературы
Список публикаций автора по теме диссертации
ВВЕДЕНИЕ
Предмет исследования и актуальность темы
Широкое применение когерентного микроволнового излучения большой мощности обуславливает разнообразие требований к электродинамическим, системам, используемым для генерации, транспортировки и преобразования волновых потоков в таких интенсивно развивающихся областях современной физики и техники как нагрев плазмы в установках управляемого термоядерного синтеза (УТС), ускорение заряженных частиц, радиолокация и связь, обработка материалов.
При этом ввиду того, что высокочастотный пробой и омические потери зачастую не позволяют использовать микроволновые системы с сечениями порядка длины волны, а оптические аналоги не отвечали бы требованиям компактности, всё более широкое применение находят квазиоптические электродинамические компоненты. С учётом постоянного прогресса как источников, так и потребителей микроволнового излучения создание высокоэффективных квазиоптических систем, неизбежно являющихся многомодовыми, требует развития всё новых методов и подходов к задачам управления параметрами колебаний и волн. Этим проблемам, которые включают, в частности, задачи трансформации волн различных типов, обеспечение эффективности и модовой селекции электродинамических систем приборов мощной СВЧ электроники, создание волноводов и резонаторов с наперед заданным спектром частот и мод, посвящена настоящая диссертационная работа.
Цели диссертационной работы
1. Разработка новых разновидностей метода синтеза волноводных преобразователей, применимых для широкого класса систем, включая волноводы с нерегулярностями, имеющими размеры, сравнимые с длиной волны. Создание на основе этого метода новых компонентов микроволновой электроники.
и,„ (0,/у), и временной зависимостью, описываемой колебаниями на частоте-«у. Такой источник формирует поток мощности слева направо (Рис. 1.19). Поля ¥^{[,г,гх), Н/у) второго решения получаются при интегрировании уравнений Максвелла-в направлении / -> -оо, где в качестве источников берутся поля-с распределением, как у желаемых полей Е0„,(Ь,г±), Н0„,(£,гх). Излучаемые таким источником волны бегут справа налево.
Поправка к поверхности вычисляется на каждой итерации с помощью тангенциальных к поверхности комплексных значений магнитных полей на стенках волновода и нормальных компонент электрического поля:
А/ = а-1т{Н;*-Н;+Е;*-Е-}. (1-6)
где а — константа, выбор которой в некоторых случаях (например, при чистом преобразовании одной собственой моды волновода в другую) может быть основан на результатах теории возмущений (см. [За]). Остановимся на обосновании вида поправки к профилю (1.6). Очевидно, что поправка должна удовлетворять, по меньшей мере, двум критериям: 1) при приближении получаемого решения к желаемому вычисляемая величина поправки должна стремиться к нулю; 2) при несовпадении решений поправка должна порождать гармоники профиля, приводящие к увеличению эффективности преобразования.
Конечно, среди форм поправок существует бесчисленное множество решений, удовлетворяющих перечисленным критериям. Среди поправок наиболее простой формы записи исследовались две. Одна из них выражена формулой (1.6). Как нетрудно убедиться, если Н+(г) = Н~(г) и £(г) = К (г), то Д/(г) = 0. Если поля /С и Е+ соответствуют одной моде волновода, распространяющейся с постоянной распространения /ц, (//'', Е' ~ ехрф'/цг)), а Н~, К соответствуют другой моде с постоянной распространения Л2 {Н~, К~ ехр(г/г2я)), то Д/ ~ ьтД/ъ- Н{)-г). Такой по форме гофрированный профиль поверхности волновода в рамках теории возмущений (Д/«Л) является тем необходимым решением, которое обеспечивает максимальный энергообмен одной моды с другой по координате я [8].
Другая возможная форма поправки