Нелинейное взаимодействие поперечных волн электронного потока в расходящихся аксиально-симметричных магнитных полях

• Автор: Пеклевский, Андрей Викторович
• Шифр специальности: 01.04.03, 01.04.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 170 с. : ил.

Содержание
введение
Глава I. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ МИКРОВОЛН В ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ЗАДАЧАХ БЕСПРОВОДНОЙ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ

§1.1. Передача энергии микроволновым лучом

§ 1.2. Обратное преобразование микроволн в постоянный ток

§1.3. ПРОБЛЕМЫ БЕ30Г1АСІЮСТИ МІ 1КРОВОЛНОВОЙ ПЕРЕДАЧІ

§ 1.4. Циклотронный преобразователь. Результаты теоретического анализа и экспериментов

§ 1.5. Выводы

Глава IT. ПОПЕРЕЧНЫЕ ВОЛНЫ II НЕЛИНЕЙНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В ЭЛЕКТРОННОМ ПОТОКЕ

§ 2,1. Нормальные волны в электронном потоке

§ 2.2. Быстрые и медленные циклотронные волны

§ 2.3. Синхронные волны электронного потока
§ 2.4. Перенос мощности волнами электронного потока
§ 2.5. Аналитическое рассмотрение преобразования поперечных волн
§ 2.6. НЕОДІЮРОДНЫЕ взаимодействия по поперечному сечению ЭЛЕКТРОННОГО 1ЮТОКА
§2.7. Выводы
Глава III. НЕЛИНЕЙНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПОПЕРЕЧНЫХ ВОЛН ЭЛЕКТРОННОГО ПОТОКА В РАСХОДЯЩИХСЯ АКСИАЛЬНО-СИММЕТРИЧНЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЯХ
§3.1. Постановка задачи
§ 3.2. ОСОБЕННОСТИ МОДЕЛИРОВАНИЯ 1ІРОЦЕССОВ В ЦИКЛОТ РОННЫХ УСТРОЙСТВАХ
§ 3.3. Трехмерная модель электронного потока, начальные условия
§ 3.4. Метод вычисления поля пространственного заряда
§ 3.5. Тестирование модели электронного потока
§3.6. Учет влияния проводящих грані іц области
§ 3.7. Система релятивистских уравнений движения электронного потока
§ 3.8. Пространственное распределение магнитного поля
§ 3.9. Реализация вычислительного алгоритма средствами среды визуального программирования...81 § 3.10. Выводы
Глава IV. РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПОПЕРЕЧНЫХ ВОЛН В РАСХОДЯЩИХСЯ МАГНИТНЫХ ПОЛЯХ С РАЗЛИЧНЫМ ПРОФИЛЕМ
§4.1. Выбор начальных параметров
§ 4.2. Результаты вычислений с учетом поля пространственного заряда
§ 4.3. Результаты вычислений с модифицированным профилем магнитного поля
§ 4.4. взаимодействие поперечных волн В КОРО псом реверсе магнитного ПОЛЯ
§ 4.5. Распределение продольных скоростей электронного потока
§4.6. Выводы
Глава V. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПОПЕРЕЧНЫХ ВОЛН ЭЛЕКТРОННОГО ПОТОКА В ПРИСУТСТВИИ ТОРМОЗЯЩЕГО ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ
§5.1. Особенности взаі їмодействи я поперечных волн электронного потока в прису гствии
тормозящего электростатического поля
§ 5.2. Вычисление оптимального профиля электрического поля
§ 5.3. Результаты моделирования с различными профилями электрического и магнитного полей... 128 § 5.4. Сопоставление результатов теоретического анализа с данными экспериментов на
лабораторных образцах ЦПЭ
§ 5.5. Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
ПРИЛОЖЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы связана с возрастающей необходимостью разработки физических основ для создания мощных и высокоэффективных преобразователей СВЧ энергии в постоянный электрический ток. Проблемы роста общего энергопотребления и энергетической безопасности, выброса промышленных отходов в атмосферу и глобальных изменений климата вызывают необходимость поиска новых экологически чистых источников энергии. Среди них - космические энергосистемы, транслирующих энергию солнечного излучения наземным потребителям с помощью направленного микроволнового луча. В последние годы эта идея получила новое развитие в связи с проектами низкоорбитальных солнечных космических электростанций с мощностью 10-100 МВт.
Для приема микроволн и преобразования их энергии в энергию электрического тока предполагается использовать ректенны, содержащие дипольные антенны и полупроводниковые диоды Шоттки. Ректенны продемонстрировали высокий КПД на этапе лабораторных испытаний, однако соединение маломощных и низковольтных ректенн в последовательнопараллельные цепи в энергетических системах неизбежно скажется на надежности и стабильности их работы. Кроме того, уровень переизлучения ректенных систем на гармониках рабочей частоты, неизбежно возникающих в процессе преобразования микроволн, может вызвать затруднения для работы существующих систем передачи информации и радиосвязи.
Альтернативой ректеннам могут стать циклотронные преобразователи энергии (ЦПЭ), заметно превосходящие их по удельной мощности, величине выходного напряжения, устойчивости к электромагнитным и радиационным воздействиям и перегрузкам. Это стимулирует поиск новых и разработку уже известных механизмов взаимодействия электронного потока с электромагнитным полем, когда модуляция электронного потока производится путем поперечного смещения потока, т.е. при возбуждении поперечных волн электронного потока.

Проведенные ранее в России (в 70х-90х годах в МГУ, НПО "Торий", НПО "Исток") экспериментальные и теоретические исследования циклотронных преобразователей энергии (ЦПЭ), принцип действия которых основан на взаимодействии пространственно искривленного электронного потока без электронных сгустков (отсутствие продольной модуляции в потоке) с реверсивным или спадающим до нуля магнитным полем, показали перспективность такого взаимодействия с точки зрения увеличения эффективности преобразования и реализации высоких значений выходной мощности (достигнутые значения КПД лабораторных образцов ЦПЭ превышают уровень 80% при уровне мощности 10 кВт).
Детальный анализ влияния формы, поперечных размеров и собственных полей электронного потока на процессы энергообмена в этих устройствах и роли нелинейных по радиусу компонент расходящегося магнитного поля, а также проникающих электростатических полей требует дальнейшего развития. Это облегчит оптимизацию и надежное прогнозирование экспериментальных конструкций.
Цель данной работы
1. Разработка физической модели электронного потока с парциальными спиралевидными пучками конечного сечения с целью более точного учета влияния поля пространственного заряда по сравнению с использовавшимися ранее нитевидными моделями.
2. Исследование влияния поля пространственного заряда на процесс нелинейного поперечно-волнового взаимодействия в расходящемся аксиально-симметричном магнитном поле.
3. Исследование возможности снижения разброса продольных скоростей электронного потока в процессе преобразования быстрой циклотронной волны в синхронную волну в расходящемся магнитном поле с различным его распределением.

рс + рс ! + («»
Интересно провести сравнение между фазовыми скоростями быстрой и медленной циклотронных волн с одной стороны, и быстрой и медленной волн пространственного заряда для случая бесконечного пучка, с другой. Как нетрудно заметить, формулы фазовых скоростей отличаются лишь значениями плазменной юр и циклотронной юс частот; графики фазовых скоростей похожи. Отличительной особенностью является то, что на практике приборы, использующие волны пространственного заряда, работают на частотах со » сор, когда фазовая скорость почти не зависит от частоты. Приборы же, использующие циклотронные волны, работают на частотах, близких к
циклотронной частоте (со ~ оос), когда фазовая скорость особенно чувствительна к малейшим изменениям частоты.
Фазовую скорость или дисперсионную кривую можно связать
доплеровским смещением частоты [45]. Рассмотрим вращающийся
циклотронной частотой электронный поток, распространяющийся с постоянной скоростью в аксиальном направлении. Предположим, что в том же направлении распространяется электромагнитная волна. Электроны будут связаны
электромагнитным полем в том случае, если будут воспринимать колебания высокочастотного поля на циклотронной частоте. Другими словами, чтобы наступил резонанс, высокочастотное поле, наблюдаемое в системе координат, движущейся вместе с электронами, должно иметь циклотронную частоту. Но преобразование частоты электромагнитного поля при переходе к движущейся со скоростью поступательного движения электронов системе координат как раз представляет собой известный доплеровский сдвиг частоты, выражаемый соотношением фазовой скорости.
§ 2,3. Синхронные волны электронного потока
При предположениях, сделанных выше, кроме уже рассмотренных нормальных волн, в электронном пучке могут распространяться еще две