Взаимодействие и динамика электромагнитных волн и релятивистских электронных сгустков в волноводных структурах со сложным заполнением

• Автор: Канарейкин, Алексей Дмитриевич
• Шифр специальности: 01.04.03
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 386 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
Содержание
Введение
Глава 1. Современное состояние кильватерного метода ускорения заряженных частиц в волноводной структуре с диэлектрическим заполнением

1.1 Релятивистский характер рассматриваемых задач

1.2. Излучение Вавилова-Черенкова

1.3. Переходное излучение

1.4. Излучение релятивистских частиц в волноводе

1.5. Релятивистская СВЧ электроника

1.6. Коллективные методы ускорения

1.7 Кильватерные методы ускорения

1.8 Кильватерное ускорение в плазме
1.9. Кильватерное ускорение в структурах с диэлектрическим заполнением.
История вопроса
1.10. Кильватерное ускорение в структурах с диэлектрическим заполнением.
Современное состояние
Глава 2. Генерация излучения Вавилова-Черенкова сильноточпыми электронными сгустками в структурах с однородным диэлектрическим заполнением
2.1. Постановка задачи. Кильватерные поля релятивистского электронного сгустка
2.2 Генерация излучения Вавилова-Черенкова коротким сильноточным сгустком в цилиндрическом волноводе с многослойным диэлектрическим заполнением
2.3 Спектральный состав и поля излучения сильноточных электронных сгустков в структуре с однородным диэлектрическим заполнением
2.4 Продольная компонента электрического поля излучения Вавилова-Черенкова в волноводе с однородным диэлектрическим заполнением
2.5 Поперечные компоненты электрического поля излучения Вавилова-Черенкова электронного сгустка в структуре с однородным диэлектрическим заполнением
2.6. Характеристики ускорительных структур с диэлектрическим заполнением
2.7 Разработка волноводных структур с однородным диэлектрическим заполнением для генерации излучения Вавилова-Черенкова и ускорения заряженных частиц

Глава 3. Генерация излучения Вавилова-Черенкова в волноводных структурах со сложным диэлектрическим заполнением. Многосгустковая генерация
3.1 Поля излучения Вавилова-Черенкова в цилиндрическом волноводе с многослойным диэлектрическим заполнением при наличии вакуумного канала вдоль оси
3.2 Влияние вакуумного слоя на уровень СВЧ потерь в структуре с заполнением
3.3 Использование многослойного диэлектрического заполнения для уменьшения потерь мощности в ускорительных структурах с диэлектриком
3.4. Разработка и экспериментальная демонстрация многослойной ускоряющей структуры для уменьшения потерь СВЧ мощности
3.5 Генерация кильватерного излучения в многомодовой ускоряющей структуре с диэлектрическим заполнением
3.6 Принцип суперпозиции кильватерных полей 168 Глава 4. Повышение коэффициента трансформации при кильватерном ускорении
в структуре с диэлектрическим заполнением
4.1 Понятие коэффициента трансформации. Коэффициент трансформации одиночного симметричного гауссова сгустка
4.2 Методы увеличения коэффициента трансформации. Коэффициент трансформации последовательности сгустков с профилированной зарядовой плотностью
4.3 Повышение коэффициента трансформации при многосгустковой генерации.
4.4 Моделирование эксперимента по повышению коэффициента трансформации в коллинеарных кильватерных ускорительных схемах. Оптимизация параметров ускорительной схемы
4.5 Экспериментальная демонстрация увеличения коэффициента трансформации в коллинеарных кильватерных ускорительных схемах
Глава 5. Управляемая кильватерная ускорительная структура с диэлектрическим заполнением
5.1 Принцип контроля частоты ускорительной структуры с диэлектрическим заполнением
5.2 Разработка сегнетоэлектрического материала для создания управляемой ускоряющей структуры с диэлектрическим заполнением
5.3 Экспериментальная демонстрация управляемой цилиндрической ускоряющей структуры с диэлектрическим заполнением
5.4 Применение В5Т(М) сегнетоэлектрического материала в системах управления, коммутации и оптимизации СВЧ излучения высокой мощности для целей ускорительной физики
Глава 6. Моделирование динамики электронных сгустков в ускоряющей структуре с диэлектрическим заполнением
6.1. Поперечная неустойчивость электронных сгустков в кильватерных структурах с диэлектрическим заполнением
6.2. Динамика частиц и развитие поперечной неустойчивости частиц одиночного сгустка в структурах с диэлектрическим заполнением
6.3 Методы подавления поперечной неустойчивости одиночного сгустка в кильватерных структурах с диэлектрическим заполнением
6.4 Контроль поперечной неустойчивости последовательности сгустков в кильватерных структурах с диэлектрическим заполнением
6.5. Экспериментальная программа по изучению поперечной неустойчивости в кильватерных структурах с диэлектрическим заполнением и меры по предотвращению развития ВВи неустойчивости на ускорителе А¥А
Глава 7. Нелинейные свойства ряда материалов и их применения в задачах кильватерного ускорения
7.1 Нелинейные эффекты при генерации кильватерного излучения сильноточным сгустком в структурах с диэлектрическим заполнением
7.2 Активные материалы в области СВЧ частот и возможность их применения в кильватерном ускорении заряженных частиц
Заключение
Приложение I
Приложение II
Приложение III
Приложение IV
Литература

Физика сильноточных электронных пучков и релятивистская электроника сформировались в последние десятилетия в отдельную и хорошо разработанную область с большим количеством практических приложений в области разработки мощной СВЧ-техники, прежде всего отметим работы коллектива института прикладной физики РАН, Нижний Новгород, под руководством А.Г.Литвака [84-88,103,107,113], а также работы коллектива под руководством Г.А Месяца [81-82,89,105-106]. Литература по релятивисткой электронике могла бы составить отдельный объемный раздел, что не входит в задачи этой работы, отметим лишь некоторые базовые публикации, связанные с задачами настоящей работы, где рассматриваются задачи излучения сильноточных релятивистских сгустков в волноводных системах для целей кильватерного ускорения. Физические аспекты таких исследований наиболее полно изложены в сборниках «Релятивистская высокочастотная электроника», регулярно издающихся в Нижнем Новгороде с 1979 [85,112], атакже в журнале “Известия Вузов. Радиофизика” [113].
Релятивистская СВЧ электроника развивалась на базе успехов высоковольтной импульсной техники [80-81] и прогресса в разработке сильноточных электронных ускорителей [82-83]. Интенсивные исследования взаимодействия релятивистских электронных потоков с полями СВЧ электродинамических структур привели к созданию как релятивистских аналогов традиционных электронных приборов (1ГБВ, ЛОВ, клистронов, магнетронов, оротронов, гирорезонансных систем), так и ряда специфических приборов (лазеров на свободных электронах, виркаторов, приборов со скрещенными полями в магнито-изолированных линиях - M1LO и др.). Для коротковолновой части сантиметрового диапазона длин волн перспективными - в плане достижения устойчивой высокоэффективной генерации «сверхмощного» когерентного излучения - оказались одномодовые генераторы индуцированного черепковского излучения с непрерывным отбором энергии у прямолинейных трубчатых РЭП [86-87]: увеличение энергии излучения в таких приборах до уровня 1 кДж существенно для ускорителей, радиолокационных устройств [89-91] и систем их подавления [92], исследование воздействия мощного излучения на плазму [93], накачка газовых лазеров [94] и т.д.
Явление плазменно-пучковой неустойчивости (при которой пучок электронов возбуждает медленную плазмешгую волну в плазменном волноводе на основе черенковского механизма) было открыто теоретически в 60-х годах [95,96], а затем экспериментально подтверждены в работах [97,98]. В 60-70-х годах в различных лабораториях мира проводились эксперименты по взаимодействию нерелятивистских электронных пучков с плазмой с целью создания СВЧ-усилителей и СВЧ-генераторов. В