Нелинейные явления при усилении электромагнитных волн интенсивными электронными потоками в многолучевых микроволновых усилителях

• Автор: Сандалов, Александр Николаевич
• Шифр специальности: 01.04.04
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 306 с. : ил.

Глава 1. Вычислительный эксперимент по взаимодействию интенсивного электронного потока

и электромагнитного поля

1.1. Физические принципы действия микроволновых приборов с продольным взаимодействием
1.2. Теория нелинейных процессов при усилении электромагнитных волн электронными потоками
1.3. Программные комплексы для моделирования физических процессов в клистронных усилителях

1.4. Программные комплексы Клистрон

и Арсенал - МГУ

Глава 2. Физические процессы в многорезонаторных устройствах

с продольным взаимодействием

2.1. Кулоновское взаимодействие и расслоение

в клистронах и ЛЕВ

2.2. Нелинейное взаимодействие интенсивного электронного пучка и поля замедляющей системы вне ее полосы прозрачности
2.3. Колебания и волны в ЛБВ с дополнительной замедляющей системой
2.4. Многочастотное взаимодействие в микроволновых
приборах
Глава 3. Нелинейные явления в высокоэффективных
многолучевых клистронных усилителях
3.1. Эффект расслоения в клистронных усилителях
3.2. Двумерные и трехмерные эффекты и их влияние на группирование электронов
3.3. Физические принципы высокоэффективного группирования электронов
3.4. Сравнение теоретических и экспериментальных результатов
3.5. Высокоэффективные нерелятивистские клистроны

Глава 4. Группирование электронов в широкополосных многолучевых
клистронных усилителях
4.1. Физические процессы при широкополосном группировании электронов
4.2. Физические особенности конструирования широкополосных клистронных усилителей
4.3. Расширение полосы усиливаемых частот резонаторами второй гармоники
4.4. Сверхширокополосные клистронные усилители
Глава 5. Физические процессы в релятивистских генераторах
и усилителях
5.1. Особенности высокоэффективного взаимодействия
при релятивистских скоростях электронов
5.2. Экспериментальные исследования многолучевого релятивистского генератора
5.3. Релятивистский клистрон с фокусирующей системой на постоянных магнитах
5.4. Теоретические и экспериментальные исследования релятивистских клистронов КМТ-1 и КМТ
5.5. Релятивистские многолучевые клистронные
усилители
Заключение
Литература
Список основных работ, опубликованных по теме диссертации

Актуальность темы диссертации. Проблема создания мощных генераторов и усилителей когерентного микроволнового излучения занимает значительное место в современной радиофизике.
Использование источников мощного микроволнового излучения в ускорительной технике, радиолокации и связи, гражданской и военной промышленности требует непрерывного повышения их выходных характеристик: выходной мощности, коэффициента полезного действия, расширения полосы усиливаемых частот.
Практическая реализация этих задач представляет собой сложную научную проблему, решение которой возможно лишь с привлечением численных методов исследования на базе современной вычислительной техники, подробного теоретического анализа физических процессов, происходящих в микроволновых генераторах и усилителях, и их экспериментального изучения.
Повышение выходной мощности микроволновых приборов неразрывно связано с увеличение энергии электронных потоков. Переход в релятивистскую область энергий, где исследования высокоэффективного взаимодействия приобретают новое качество, требует применения новых физических идей и технических решений. Разработка и создание релятивистских клистронных усилителей позволит значительно повысить выходные характеристики приборов и расширить область их применения.
Коэффициент полезного действия серийных микроволновых приборов с продольным взаимодействием не превышает 50%, и лишь отдельные экспериментальные образцы узкополосных клистронных усилителей имеют эффективность более 60%. Поэтому весьма актуальна разработка и создание усилительных устройств с коэффициентом полезного действия более 70%.
Расширение полосы усиления мощных клистронных усилителей до 10% - 14% стало особенно важным в последние годы в связи с необходимостью решения задач, связанных с передачей информации и решением энергетических проблем.
Основным элементом микроволнового прибора является электронный поток, важной характеристикой которого служит первеанс Р, определяемый отношением тока пучка 10 к ускоряющему напряжению У0:
Р = 10/У03/2. Первеанс определяет меру интенсивности потока. Интенсивными считаются потоки, у которых первеанс принимает значения, большие 1(Г8 - 1(Г7 А/В3,2. Ввиду малости численного значения первеанса пользуются более удобной величиной - микропервеансом Р(1,
определяемой как: Р^= Р-106. Поэтому интенсивными будут потоки с

Опыт расчета с дисковой и многослойной моделями, в которых используются бесконечно тонкие элементы заряда, позволяет утверждать, что расстояния между элементами обычно оказываются меньшими характерных размеров физически бесконечно малого объема. Дальнейшее уточнение распределения заряда между элементами или его выравнивание не дает новых результатов. С другой стороны, модель деформируемых по г колец имеет преимущество перед моделью колец с фиксированными продольными размерами. В модели деформируемых элементов, так и в модели тонких колец, точность расчета плотности заряда в сгустке зависит от расстояния между элементами, которое может быть очень малым. Точность увеличивается по мере возрастания степени группировки. В то же время точность такого же расчета для модели жестких по ъ колец зависит от их продольных размеров и уменьшается по мере группировки электронов в сгустки.
Радиальное разбиение обычно всегда менее частое, чем продольное разбиение. Радиальное движение дает только поправки к основному процессу продольной группировки. Использование при расчетах колец конечной площади поперечного сечения увеличивает точность и уменьшает время анализа. Контрольные расчеты вариантов с конечными и бесконечно тонкими по г и г кольцами (модель работы [263]) показали, что для правильного описания кулоновских сил в последней модели необходимо почти на порядок увеличивать начальное число слоев пучка.
Модель пучка с кольцами постоянной площади позволяет использовать заранее рассчитанные и хранящиеся в виде таблиц значения функций влияния заданного радиального и продольного разбиения. Переход к реальному распределению происходит с помощью интерполяционных формул. Такая процедура заметно сокращает время расчета.
При использовании модели с деформируемыми кольцами функции влияния рассчитываются на каждом шаге по текущим значениям радиуса. Машинное время расчета увеличивается в 2-3 раза.
Как показали контрольные исследования, при малой пульсации пучка модели колец постоянной площади и деформируемых колец дают примерно одинаковые результаты.
В двумерном приближении, также как и в одномерном приближении и методике расслоения, для качественной характеристики группирования можно использовать показатель качества группирования. Показатель качества близок к электронному КПД и в двумерном приближении, если распределение поля в выходном зазоре близко к прямоугольному и малы поправки, связанные с поперечным движением медленных электронов.
На основании описанных выше методик были разработаны программные комплексы 1.5 - мерный Клистрон-МГУ и 2.5 - мерный Арсенал-МГУ. Программный комплекс Клистрон-МГУ был создан