Исследование роли величины внешнего магнитного поля в плазменных релятивистских СВЧ-приборах методами численного моделирования

• Автор: Богданкевич, Ирина Леонидовна
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 108 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ Роль величины магнитного поля в СВЧ-приборах черенковского типа
ГЛАВА 1. СВЧ-приборы черенковского типа в условиях конечного магнитного поля
ГЛАВА 2. Численное моделирование плазменного релятивистского СВЧ-усилителя
2.1. Постановка задачи плазменного релятивистского СВЧ-генератора. Физические принципы
2.2. Особенности использования вычислительного кода КАРАТ для релятивистских плазменных СВЧ-приборов
2.3. Результаты моделирования плазменного релятивистского СВЧ-усилителя
2.4 Проявление эффектов Доплера при моделировании плазменного релятивистского СВЧ-усилителя
ГЛАВА 3. Проявление эффектов Доплера в численном моделировании плазменных релятивистских СВЧ-приборов в условиях неоднородного внешнего магнитного поля
3.1. Нормальный эффект Доплера в экспериментах по взаимодействию релятивистских электронных пучков с плазмой
3.2. Определение ширины циклотронной полосы подавления генерации в плазменном релятивистском СВЧ-генераторе
3.3. Возможность создания плазменного релятивистского СВЧ-усилителя без применения СВЧ-поглотителя

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Литература.
Введение. Роль величины внешнего магнитного поля в СВЧ-приборах черенковского типа.
ВВЕДЕНИЕ
Роль величины внешнего магнитного поля в СВЧ-приборах черенковского типа.
Явление плазменно-пучковой неустойчивости было открыто теоретически в середине прошлого века [1,2], а затем экспериментально в работах [3,4]. Пучок электронов возбуждает медленную плазменную попутную волну в плазменном волноводе на основе черенковского механизма. В 60-70-х годах прошлого 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 [7]. В ХФТИ использовались так называемые замедляющие спирально-плазменные системы, в которых замедление волны обеспечивалось, как наличием плазмы, так и вакуумными замедляющими структурами. В ИРЭ АН 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 ФИАНе [9]. Постановка этого эксперимента очень близка к экспериментам, проведенным в ИРЭ [7]. Но основное физическое отличие релятивистской электроники состоит в возбуждении
Глава 2. Численное моделирование плазменного релятивистского СВЧ-усилителя.
2 см, трубчатой плазмы ЛР1 = 0.8-1 см. Расчет проводился для двух радиусов пучка Ль = 0.5-0.6 см и Яь = 0.7-0.8см. Ток пучка 1 и 2 кА, энергия электронов в точке инжекции соответствует у0 =1,8.
Для вакуумных приборов (ЛБВ) расчеты по нелинейной теории и результаты экспериментальных исследований указывают на существенное влияние положения поглощающей вставки и ее параметров на максимальную выходную мощность ЛБВ [66]. В плазменных системах тоже стоит проблема оптимального положения поглотителя. Наличие затухания, распределенного по длине замедляющей системе, привело бы к большим потерям высокочастотной мощности. Поглотитель делит замедляющую систему на два участка. При слишком короткой входной (до поглотителя на рис.7) секции пучок не успевает получить достаточную степень модуляции. Отраженная от выхода усилителя волна затухает в поглотителе. При численном моделировании усилителя, параметры поглощающей области (размеры, проводимость, положение) были выбраны так, чтобы обеспечить режим функционирования системы, близкий к реальному эксперименту [10]. Короткая выходная секция (после поглотителя рис. 7) не позволит получить большую степень усиления входного сигнала. В результате численного эксперимента длина области взаимодействия {Ь = 26 см) и длина и положение поглотителя были оптимизированы так, чтобы с одной стороны подавить положительную обратную связь, а с другой получить максимально возможную выходную мощность.
На рис.8 приведены зависимости выходной мощности усилителя от частоты внешней волны. Два рисунка соответствуют двум радиусам пучка. Верхний рисунок - пучок удален от внутренней границы плазмы на 2 мм. Нижний — внешняя граница пучка совмещена с внутренней границей плазмы. Этот геометрический фактор влияет на величину параметра связи электромагнитной и пучковой волн [38]. Для значений