Плазменный релятивистский СВЧ-генератор в численных моделях

• Автор: Павлов, Дмитрий Андреевич
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 99 с. : ил.

Оглавление
Оглавление
Введение
§1. Актуальность работы
§2. Цели диссертационной работы
§3. Научная новизна
§4. Научная и практическая ценность результатов
§5. Публикация и апробация результатов
§6. Структура и объем диссертации
§7. Краткое содержание диссертации
Глава 1. Обзор литературы
Глава 2. Модели, используемые в работе
§1. Алгоритм расчета коэффициента усиления
§2. Алгоритм расчета коэффициента отражения
§3. Код КАРАТ
Глава 3. Управление спектром излучения плазменного релятивистского СВЧ-генератора
§1. О длине плазменно-пучкового взаимодействия
§2. О генерации стабильной частоты излучения ПРГ
§3. Механизмы влияния на ширину спектра СВЧ-импульсов
§4. Непрерывная перестройка частоты СВЧ-излучения
£5. Сравнение с экспериментом
Заключение
Глава 4. Эффект укорочения длительности СВЧ-импульса ПРГ
§1. Постановка задачи

§2. Моделирование работы плазменного релятивистского СВЧ-генератора методом крупных частиц
§3. Влияние сорта газа на длительность СВЧ-импульса
§4. Радиальное распределение частиц
§5. Распределение частиц вдоль продольной координаты ПРГ
§6. ПРГ с инверсной геометрией
§7. О возможности увеличения длительности СВЧ-излучения
§8. Сравнение результатов с экспериментальными данными
§9. Обсуждение результатов
Заключение
Заключение
Выводы
Список литературы
Введение
Явление плазменно-пучковой неустойчивости было открыто теоретически в середине прошлого века [1, 2], а затем экспериментально наблюдалось в работах [3, 4]. Пучок электронов возбуждает медленную плазменную попутную волну в плазменном волноводе на основе черенковского механизма. В 60-70-х годах прошлого столетия в различных лабораториях мира проводились эксперименты по взаимодействию нерелятивистских электронных пучков с плазмой с целью создания СВЧ-усилителей и СВЧ-генераторов. Основные результаты в СССР были получены в ХФТИ [5, 6] и ИРЭ АН СССР [7]. В ХФТИ использовались так называемые замедляющие спиральноплазменные системы, в которых замедление волны обеспечивалось как наличием плазмы, так и вакуумными замедляющими структурами. В ИРЭ исследовались чисто плазменные СВЧ-приборы, то есть замедление волны обеспечивалось только наличием плазмы. Были созданы плазменные СВЧ-усилители и СВЧ-генераторы, но по своим параметрам они уступали вакуумным. Ожидалось, что нерелятивистские СВЧ-источники позволят продвинуться в область высоких частот, но этого не удалось сделать из-за трудности создания плотной бесстолкновительной плазмы. Управление частотой излучения за счет изменения плотности плазмы ограничивалось невозможностью эффективного вывода СВЧ-излучения из плазмы в широком диапазоне частот.
Принципы релятивистской плазменной СВЧ-электроники были сформулированы в работе [8]; а первый эксперимент был проведен в ФИАН СССР [9]. Постановка этого эксперимента очень близка к экспериментам, проведенным в ИРЭ [7]. Основное физическое отличие релятивистской электроники состоит в возбуждении плазменных волн с

координатам: г , = - - '"'с1г, г , = ./ - , обозначив соответствующие
значения через Е"

'“2*У"
. Компонента поля Вш вычисляется в
"полуцелые" моменты дискретного времени І 2 =1I в
пространственных узлах г„г ,

На введенной сетке дискретный аналог уравнений (18) принимает
вид:

+{Е-

І +

егЫ-щМ-Л
ґ і п+—

Г її 1 и+- - П)
. + 2 -5 2 <Р и- їі)
-е: г——,у
I 2 2.
-с|(е;М-*;[/.У-1&
(27)
£„"+

'"г*-7"!
= £:

( і п+~ 1] і п+— Г , і]
+ с—— сігг , г В 2 ' р *>./— 2. -г В 2 1-і <р і — 1,7 2.
Для решения задачи в области с плазмой написанных выше уравнений недостаточно, и к ним необходимо дописать уравнения, описывающие поведение плазмы и влияние плазмы на электромагнитную волну.
Для вычисления значений Е"[1р ±0| и В1р 2 [гр ± 01 на плазменной трубке необходимы значения односторонних производных

Выражая эти производные через значения Е. на соседних слоях
через значения ;

получим выражения для Вч

К ±0,у-