Формирование релятивистских ленточных электронных потоков в скрещенных полях

• Автор: Насачев, Антон Геннадьевич
• Шифр специальности: 01.04.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Волгоград
• Количество страниц: 111 с. : ил.

1 Формирование ленточных электронных потоков
1.1 Формирование ленточных электронных потоков в продольных электрическом и магнитном полях
1.1.1 Электронный поток в плоском диоде
1.1.2 Пушка Пирса с параллельными траекториями электронов
1.2 Формирование ленточных электронных потоков в скрещенных полях
1.2.1 Электронный поток в плоском диоде со скрещенными полями
1.2.2 Внешняя краевая задача при произвольном распределении потенциала и напряженности электрического поля на прямой
1.2.3 Внешняя краевая задача при произвольном распределении потенциала и напряженности поля на произвольной криволинейной границе
1.2.4 Расчет электродов пушки М-типа с параболическими траекториями электронов («длинная оптика»)
2 Движение релятивистской заряженной частицы в однородном статическом электромагнитном поле
2.1 Движение релятивистской частицы в однородном электромагнитном поле
2.2 Движение релятивистской частицы в однородных скрещенных полях
3 Формирование релятивистского ленточного электронного потока в однородных скрещенных полях
3.1 Аналитическая связь характеристик электронного потока и параметров пушки М-типа без учета полей пространственного заряда
3.1.1 Разброс скоростей
3.1.2 Амплитуда пульсаций потока

3.1.3 Временной и пространственный периоды пульсаций потока
3.2.Трехмерная модель движения релятивистского ленточного электронного потока в скрещенных полях с учетом полей пространственного заряда при эмиссии с катода
3.3 Формирование электронного потока с учетом полей
пространственного заряда
4 Формирование релятивистского ленточного электронного потока в скрещенных полях при неоднородной составляющей электрического поля
4.1 Распределение электрического поля на параболической траектории частицы при движении в скрещенных полях в релятивистском случае
4.2 Аналитический расчет движения релятивистской частицы в скрещенных полях при известном распределении электрического поля на траектории
4.3 Расчет структуры электрического поля и формы электродов
4.4 Оценка величины плотности тока эмиссии
Заключение
Приложение А Движение релятивистской заряженной частицы в параллельных однородных статических электрическом и магнитном полях
Библиография

Актуальность исследования. Увеличение мощности и укорочение длины волны генераторов и усилителей сверхвысокочастотного диапазона являются важными задачами в области физической электроники. Это связано с расширением области использования таких устройств в физических исследованиях, с созданием новых типов радиолокаторов миллиметрового диапазона, позволяющих существенно повысить точность определения координат целей и расширить возможности исследования космического пространства, и с рядом других направлений.
Все мощные приборы представляют собой, как правило, вакуумные устройства, в которых рабочим телом является поток заряженных частиц (электронов), в связи с чем система формирования электронного потока является их неотъемлемой и важной частью. Физические процессы в системах формирования сильно сказываются на дальнейшем поведении потока в пространстве взаимодействия и могут быть причиной еще не понятых до конца эффектов в СВЧ приборах. Поэтому появляется необходимость изучать динамику частиц, начиная с области формирования.
Для генерации и усиления коротковолновых сигналов в СВЧ диапазоне необходимо формирование тонких интенсивных электронных потоков с толщиной порядка нескольких миллиметров или еще меньше, а для того, чтобы достигнуть высоких уровней мощности сверхвысокочастотных сигналов, электронные потоки должны быть не только интенсивными, но и релятивистскими. В настоящее время идет быстрое освоение релятивистских скоростей в СВЧ электронике. В последние годы стали появляться все чаще работы, посвященные релятивистским потокам [например, 1,2,3]. Это связано как с появлением новых типов релятивистских приборов (гиротронов, мазеров на циклотронном резонансе (МЦР), лазеров на свободных электронах (ЛСЭ)), так и с продвижением классических ламп обратной волны О -типа (ЛОВО) и М-типа (ЛОВМ), магнетронов в релятивистскую область. Соответственно, создаются и совершенствуются системы формирования. Если в одних типах приборов (гиротронах, МЦР, ЛОВО) используются, как правило, цилиндриче-

Так как с эмитирующей площадки частицы вылетают с разными начальными координатами х0 (от 0 до Ах), то на катоде удобно выбрать некоторую «базовую» траекторию, соответствующую начальной координате частицы х0 - Ах/2. Тогда плоскость влета в пространство взаимодействия (область 2 на рисунке 3.1) в соответствии с формулой (2.37) будет лежать на расстоянии
Ах ли,
I = — +
X, о
1 А / -ч —

( 2
е Вй і «0
т 1 С )
^ /г Л и --21 °~ д V ;
(3.1)
от начала координат, то есть на том расстоянии, где частица достигает вершины своей траектории. Таким образом, длина области формирования электронного потока / (длина области 1 на рисунке 3.1) определяется величинами электрического и магнитного полей в этой области.
Чтобы частица в пространстве взаимодействия двигалась прямолинейно, поля в области 2 нужно выбирать в соответствии с равенством
= (3-2)
(см. рисунок 2.2), где и02 - скорость потока в пространстве взаимодействия.
Выражения (3.1) и (3.2) определяют условия инжекции релятивистского электронного потока в пространство взаимодействия. В (3.1) и (3.2) полагается, что величина индукции магнитного поля в различных областях одинакова, то есть ВоI = £>02 = Во • Это равенство упрощает техническую реализацию конструкции системы формирования, и в дальнейшем выполнение его (равенства) будет подразумеваться.
Следует отметить, что прямолинейный влет в пространство взаимодействия в соответствии с (3.1) и (3.2) возможен лишь для «базовой» частицы потока. В связи с чем поток неизбежно будет иметь разброс скоростей, что в свою очередь приведет к пульсациям границ потока и сложной внутренней структуре. Поэтому рассмотрим такие характеристики потока, как разброс скоростей, амплитуда и период пульсаций потока и изучим его структуру.