Нестационарные процессы генерации сильноточных электронных пучков и мощных импульсов электромагнитного излучения

• Автор: Пегель, Игорь Валериевич
• Шифр специальности: 01.04.04
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 214 с. : ил.

Общая характеристика диссертационной работы
Актуальность тематики исследований
Цели диссертационной работы
Научная ценность и новизна результатов
Достоверность результатов диссертационной работы
Личный вклад автора
Практическая ценность работы
Публикация и апробация результатов
Структура и объем диссертации
Защищаемые научные положения
Краткий обзор методов численных моделирования и программных средств,
использованных в диссертационной работе
Методы численного моделирования
в сильноточной релятивистской электронике
Код KARAT
Комплекс программ SuperSAM
Комплекс программ SAM
Код HP HFSS
Одномерная потенциальная Р1С-модель с ВЧполем фиксированной структуры 25 Трехмерная потенциальная PIC-модель в цилиндрической системе координат... 25 Одномерная электродинамическая PIC-модель
на основе уравнения возбуждения волновода
ГЛАВА 1. ТОК В СИЛЬНОТОЧНЫХ ДИОДАХ С ДИСКРЕТНОЙ ЭМИССИОННОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ
1.1. Введение
1.2. Экспериментальное наблюдение тока одиночного эмиссионного центра
1.3. Моделирование методом макрочастиц
1.4. Расчет тока одиночного полусферического эмиттера
1.5. Ток периодической системы эмиттеров
1.6. Конфигурация катодной поверхности, обеспечивающая постоянство импеданса вакуумного диода во времени
1.7. Заключение
ГЛАВА 2. МЕХАНИЗМ ОГРАНИЧЕНИЯ ДЛИТЕЛЬНОСТИ ИМПУЛЬСА РЕЛЯТИВИСТСКОЙ ЛОВ ГИГАВАТТНОЙ МОЩНОСТИ
2.1. Введение
2.2. Стартовый ток ЛОВ с диссипацией (затуханием рабочей волны)
2.3. Влияние затухания волны на работу ЛОВ
2.4. Особенности поглощения электромагнитной
волны электронной нагрузкой
2.5. Роль положительно заряженных ионов
2.6. Оценка максимальной величины декремента затухания
2.7. Результаты численного эксперимента
2.8. Заключение
ГЛАВА 3. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ГЕНЕРАЦИИ МОЩНОГО СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ В СИСТЕМАХ С ВИРТУАЛЬНЫМ КАТОДОМ
3.1. Введение
3.2. Виртуальный катод в плоском эквипотенциальном зазоре
3.2.1. Стационарное состояние
3.2.2. Релаксационные колебания объемного заряда в системе
с виртуальным катодом
3.2.3. Роль виртуального катода в СВЧ-генераторе.
Виртуальный катод как модулятор электронного тока
3.3. Численное моделирование взаимодействия электронного потока с виртуальным катодом с ВЧ полем в одномерной модели
3.3.1. Однозазорная система с малой надкритичностью тока
3.3.2. Генератор на отраженном токе с высокой надкритичностью тока
3.3.3. Двухзазорная система с малой надкритичностью тока
3.4. Трехмерный численный расчет двухсекционного виркатора
3.4.1. Оптимальные параметры генератора
3.4.2. Моделирование виркатора в режиме инжекции электронного пучка
3.4.3. Моделирование виркатора с электронным диодом
3.4.4. Управление частотой генерации виркатора
3.4.5. Расчет формирования электронного пучка
3.5. Экспериментальная реализация виркатора
3.6. Механизм ограничения длительности импульса виркатора
3.7. Заключение
ГЛАВА 4. ГЕНЕРИРОВАНИЕ СВЕРХКОРОТКИХ МОЩНЫХ ИМПУЛЬСОВ СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ В РЕЖИМЕ ПРОСТРАНСТВЕННОГО НАКОПЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ЭНЕРГИИ
4.1. Введение
4.2. Элементы теории
4.2.1. Условия реализации режима пространственного накопления
энергии в коротком СВЧ-импулъсе в системе с обратной волной
4.2.2. Линейное решение, удовлетворяющие условию
синфазности ВЧ тока и ВЧ поля
4.2.3. Длительность импульса излучения
4.3. Численное моделирование в одномерной модели
4.3.1. Нелинейные решения, удовлетворяющие условию
синфазности ВЧ тока иВЧ поля
4.3.2. Расчет формирования импульса в самосогласованной модели
4.3. Расчеты в осесимметричной электромагнитной модели (код КАИАТ)
4.4.1. Оптимальные параметры однопроходного генератора. Условия эффективной работы двухпроходной системы
4.4.2. Возможность генерирования последовательности коротких СВЧ-импулъсов в однопроходной системе
4.5. Факторы, ограничивающие энергию и мощность СВЧ-импульса
4.6. Экспериментальная реализация источника коротких СВЧ-импульсов
4.7. Заключение
ГЛАВА 5. ЧИСЛЕННЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ В ПРИКЛАДНЫХ ЗАДАЧАХ ФОРМИРОВАНИЯ И ИЗЛУЧЕНИЯ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИМПУЛЬСОВ
5.1. Моделирование формирования высоковольтных импульсов
в генераторах на основе коаксиальных формирующих линий
5.1.1. Расчет дисперсионной характеристики спиральной линии
5.1.2. Импульс, формируемый при разряде комбинированной линии
5.1.3. Расчет высоковольтного генератора
5.2. Моделирование излучения электромагнитных импульсов в свободное пространство с помощью коаксиального ТЕМ-рупора
5.2.1. Расчет антенны
5.2.2. Экспериментальная реализация излучателя
5.3. Заключение
ОБЩЕЕ ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение 1. ЧИСЛЕННОЕ РЕШЕНИЕ УРАВНЕНИЯ ПУАССОНА
В ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ КООРДИНАТ
Приложение 2. ОДНОМЕРНАЯ Р1С-МОДЕЛБ РЕЛЯТИВИСТСКОЙ
ЛАМПЫ ОБРАТНОЙ ВОЛНЫ
Постановка задачи
Описание возбуэ/сдения электромагнитной волны
Описание электронного пучка
Учет объемного заряда
Программная реализация модели
Приложение 3. СООТНОШЕНИЯ ПОДОБИЯ ДЛЯ ЭЛЕКТРОННОГО
ДИОДА И ТОК ОДИНОЧНОГО ЭМИТТЕРА
Соотношения подобия для электронного тока в диоде
Ток диода с малым одиночным эмиттером
Приложение 4. О ВОЗМОЖНОСТИ ПРИБЛИЖЕННОЙ РЕАЛИЗАЦИИ УСЛОВИЯ СИНФАЗНОСТИ ВЧ ТОКА И ВЧ ПОЛЯ В ОДНОРОДНОЙ ВЧ-СИСТЕМЕ С РАСПРЕДЕЛЕННЫМ ОТВОДОМ МОЩНОСТИ
ЛИТЕРАТУРНЫЕ ИСТОЧНИКИ

Глава 2. Механизм ограничения длительности импульса релятивистской ЛОВ
где А(г) — амплитуда волны, Ё(г) — мембранная функция, описывающая поперечную структуру поля синхронной гармоники, 0=аЛ-къг — фаза гармоники, — ее продольное волновое число. Пусть в отсутствие взаимодействия волны с

пучком она затухает по закону — = к”А, причем к">0 (поскольку рассматривается

встречная волна). Следуя хорошо разработанному подходу [17], вводя величину относительного изменения энергии электронов = 1 - у/у0 (где у — релятивистский масс-фактор) и предполагая ту« 1, запишем систему уравнений:

сЬ.
еА{г)Ё(гь)
тс2у0

= -5 + к/т

е-,вАв0+И'А
Здесь ^=/г5(1/о-Кр11)/Ко — расстройка черенковского синхронизма, /* = Уо(уо “О
параметр неизохронности, к=сс/с, 1ь — ток пучка, N — норма волны, Г0 — начальная скорость электронов, У^ = к/И5 — фазовая скорость синхронной гармоники. Граничные условия имеют вид: и’(0)=0, А(Ь)=0, в(О)=0о, здесь I — длина системы, а $>е[0,2л] — фазы влета электронов в пространство взаимодействия.
Введем сопротивление связи пучка с полем синхронной гармоники
/кгн , параметр Пирса С ■
1.Л
3/2

, и безразмерные величины:
продольную координату £ = кгС, расстройку синхронизма А' = —, декремент
/ГСк” кСИ
затухания А" = — и амплитуду волны ^ = ~ГПЁ7~Че • Здесь 1К=тсЧе

1ьЁЦ

Альфвена. После линеаризации системы уравнений по величине динамического фазового смещения электронов в волне, получаем уравнение для амплитуды волны

с граничными условиями