ВКР: Численное моделирование релятивистского многоволнового генератора

Введение
Во множестве различных областей науки и техники возникает необходимость использовать мощные источники когерентного электромагнитного излучения сантиметрового и миллиметрового диапазонов длин волн. В качестве примера можно назвать задачи СВЧ-энергетики, системы дальней связи, исследование свойств материалов, нетепловое воздействие на биологические объекты, естественные и искусственные среды различной природы. Один из перспективных подходов к получению мощного микроволнового излучения состоит в использовании энергетических возможностей трубчатого релятивистского электронного потока (РЭП), формируемого взрывоэмиссионными катодами. При генерации мощного микроволнового излучения возникают специфические ограничения, связанные с повышением напряжённости электрического поля вблизи металлической поверхности электродинамической структуры и увеличением вероятности высокочастотных пробоев, а также проблема сгущения спектра собственных мод. Эти трудности могут быть устранены благодаря использованию многоволновых механизмов взаимодействия электронного потока и переходы к сверхразмерным периодическим волноводам, поперечные размеры которых на порядок и более могут превосходить длину волны генерируемого излучения. Как показывают проведённые экспериментальные исследования, наиболее удачными оказались генераторы, основанные на черенковском или дифракционном излучении электронных потоков, пролетающих вблизи периодической поверхности цилиндрического сверхразмерного волновода [1]. Для селекции колебаний в таких системах эффективным оказался механизм взаимодействия электронного потока и поля на частотах вблизи границ полос прозрачности системы [2]. Такой подход часто используется в классической электронике СВЧ при создании мощных ЛБВ на связанных резонаторах. Дипломная работа посвящена разработке методики численного моделирования взаимодействия кольцевого релятивистского электронного потока с полем аксиально-симметричного нерегулярного волновода, учитывающей возбуждение не только симметричных, но и несимметричных мод (полей), а также исследованию особенностей генерации многоволнового генератора с выходной дифракционной секцией. Генератор состоит из двух секций: в первой реализовано черенковское взаимодействие потока и поля, во второй секции реализовано дифракционное излучение сгруппированного электронного потока.
Глава 1 Обзор литературы
1.1 Классификация излучений и приборов СВЧ
Многоволновые СВЧ-генераторы содержат одну или несколько секций сверхразмерного гладкого и периодического волноводов, возбуждаемых релятивистским трубчатым потоком электронов. Классификация многоволновых генераторов, как и генераторов других типов, проводится при анализе условий синхронизма электронного потока и э/м поля. Оценивается прежде всего число излучаемых волн вихревого э/м поля волновода. Классификацию режимов генераторов на односекционных периодических волноводах можно провести [4, 12] с использованием дисперсионных характеристик (рис. 1.1). Одноволновые режимы излучения реализуются при синхронизме электронного потока с отдельно взятыми попутной и обратной волнами: в первом случае – режим генератора ЛБВ с обратной связью (резонансная ЛБВ), во втором – режим ЛОВ-генератора на поверхностной волне или на объёмных волн
поверхностной и объёмной волн) типа ЛОВ-ЛБВ. Излучение поверхностных волн в области частоты π-вида реализуется в релятивистском генераторе поверхностной волны (РГПВ). В конце замедляющего волновода РГПВ поверхностная волна переизлучается в объёмные волны различных мод. В области частоты 2π-вида в длинной системе излучаются две объёмные волны, направленные почти нормально к поверхности. Такой режим излучения в нерелятивистской электронике называют режимом генератора дифракционного излучения (ГДИ), а в релятивистском случае – режимом РГДИ. Одновременное излучение нескольких объёмных волн характерно для многоволнового дифракционного генератора (МВДГ). При синхронизме пучка с полем короткой секции сверхразмерного волновода на частоте π-вида структуры полей двух поверхностных волн не устанавливаются и зависят от электронного потока. Двухволновое излучение в режиме ЛОВ-ЛБВ дополняется возбуждением объёмных волн волновода. Возникает многоволновое излучение, а само устройство получило название многоволнового черенковского генератора (МВЧГ) (см рис. 1.1). Аналогично, в области частот 2π, 3π и других видов в коротких секциях возбуждаются многоволновые поля дифракционного излучения. Если в длинных секциях реализуется одно- или двухволновое излучение, то комбинация двух таких секций позволяет создавать устройства, в которых могут осуществляться комбинированные режимы взаимодействия, например ЛОВ-ЛОВ, ЛОВ-ЛБВ, ЛОВ-РДГ, ЛБВ-РДГ и т. д. Для возбуждения таких систем необходим одновременный синхронизм электронного пучка с полями двух секций. В режиме ЛОВ-ЛБВ в первой секции поток может находиться в синхронизме с 1-ой пространственной гармоникой моды E (1) 03 . Во второй секции может возбуждаться 0-ая пространственная гармоника моды E (2) 01 в основной или высших полосах прозрачности. Осуществляется также синхронизм для режима ЛОВ-ЛОВ с возбуждением моды E (1) 14 в первой секции и моды E (2) 11 во второй. В режиме ЛБВ-РДГ поток возбуждает в первой секции прямую волну моды E (1) 01 , а во второй секции – поле моды E (2) 04 вблизи частоты 2π-вида. В режиме ЛОВ-РДГ в первой секции возможен синхронизм с модой E (1) 03 , а во второй сеции – возбуждение поверхностной волны, соответствующей моде E (2) 06 . Указанные режимы взаимодействия в двухсекционной системе имеют аналоги двухволнового взаимодействия в одной длинной секции. Примером служит режим ЛОВ-ЛБВ при синхронизме пучка и поля на частоте π-вида. В области частот между видами π и 2π возможны гибридные моды электродинамической системы, образованные связью прямой волны моды E01 и обратных волн мод E02, E03 и т. д. ах.