Автореферат (Коаксиальные волноводы и их применение в плазменной релятивистской СВЧ-электронике)

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТимени М.В. ЛОМОНОСОВАФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТНа правах рукописиЯрославцева Екатерина АндреевнаКОАКСИАЛЬНЫЕ ВОЛНОВОДЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕВ ПЛАЗМЕННОЙ РЕЛЯТИВИСТСКОЙСВЧ-ЭЛЕКТРОНИКЕ01.04.08 – Физика плазмыАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква 2017Работа выполнена на кафедре физической электроники физического факультетаМосковского государственного университета имени М.В. ЛомоносоваНаучный руководитель:Кузелев Михаил Викторович,доктор физико-математических наук,профессор, кафедра физической электроникифизического факультетаМГУ им. М.В.

ЛомоносоваОфициальные оппоненты: Лоза Олег Тимофеевич,доктор физико-математических наук, профессор,начальник управления ученого секретаря,Национальный исследовательский центр«Курчатовский институт»Богданкевич Ирина Леонидовна,кандидат физико-математических наук,старший научный сотрудник,Институт Общей Физики им. А.М. Прохорова РАНВедущая организация:Федеральное государственное унитарноепредприятие «Всероссийский электротехническийинститут им. В.И. Ленина»Защита состоится «___» июня 2017 г.

в ___ часов ___ минут на заседаниидиссертационного совета Д 501.001.66 при МГУ им. М. В. Ломоносова по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, МГУ, д. 1, стр. 2, Физическийфакультет, в аудитории ____.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУ им. М. В. Ломоносова ина сайте http://phys.msu.ru/rus/research/disser/sovet-D501-001-66.Автореферат разослан «__» апреля 2017 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 501.001.66к.ф.-м.н.Карташов И.Н.2Общая характеристика работыАктуальность темы исследованияПреимущества плазменной СВЧ-электроники перед вакуумной, сформулированные в конце 1980-х годов, являются актуальными до сих пор [1].Они состоят в возможности использования в электродинамических системахс плазменным заполнением больших токов электронных пучков [2,3], легкойперестраиваемости частоты генерируемого в плазме излучения и широкополосности излучателей, в которых происходит черенковское возбуждениенизкочастотной электромагнитной плазменной волны [4].Преимущество плазменной СВЧ-электроники, заключающееся в возможности использования больших токов электронных пучков, на данныймомент не реализовано.

Использовать большие токи в экспериментальныхустановках, основанных на черенковском возбуждении плазменной волны [5]нецелесообразно, так как, начиная с тока пучка, близкого к предельному вакуумному току, эффективность черенковского излучения плазменной волныуменьшается и, вследствие этого мощность излучения при увеличении токане растет [6]. Таким образом, повысить мощность излучения можно путемповышения предельных вакуумных токов.

Использование в плазменныхСВЧ-приборах цилиндрических коаксиальных волноводов приводит к увеличению предельных токов пучка, что должно привести к увеличению мощности генерируемого излучения [7,8]. Далее, поверхностные волны коаксиальных плазменных волноводов обладают рядом интересных особенностей (например, нулевая частота отсечки высокочастотной волны), что позволяет надеяться на реализацию еще более широкополосных плазменных излучателей.Широкополосность черенковских плазменных излучателей обусловлена тем,что излучение происходит в диапазоне частот от нулевой частоты и до частоты коллективного черенковского резонанса.

И наконец, применение коаксиальных волноводов в плазменных СВЧ-приборах может улучшить согласование рабочего объема СВЧ-излучателя с устройством для вывода излучения.3Цели и задачи диссертационной работыЦелью настоящей диссертационной работы является теоретическое исследование электродинамических свойств коаксиальных волноводов с плазменным заполнением при различной величине внешнего магнитного поля иразработка теории плазменных релятивистских черенковских излучателей наоснове волноводов с двухсвязным поперечным сечением. Основными задачами диссертационной работы являются:- теоретическое исследование электродинамических свойств коаксиальных волноводов с плазменным заполнением при произвольной величиневнешнего магнитного поля;- разработка теории плазменных релятивистских черенковских излучателей (усилителей) с коаксиальной электродинамической системой;- разработка теории пучково-плазменного взаимодействия в коаксиальной электродинамической системе при произвольной величине внешнегомагнитного поля.Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:1.

Впервые проведено подробное исследование поверхностных плазменных волн в коаксиальных волноводах с трубчатым плазменным заполнением при произвольной величине внешнего продольного магнитного поля.Показано, что частота отсечки высокочастотной поверхностной плазменнойволны в коаксиальном волноводе равна нулю, а дисперсия низкочастотнойповерхностной плазменной волны в длинноволновой области не зависит отвеличины внешнего магнитного поля.2. Разработана теория релятивистских плазменных черенковских излучателей на основе коаксиального плазменного волновода.3. Разработана теория электромагнитного взаимодействия тонких трубчатых пучка и плазмы в коаксиальном волноводе при произвольной величинемагнитного поля.4Практическая значимостьРезультаты, полученные в ходе теоретических исследований, проведенных в диссертационной работе, могут быть использованы в релятивистской плазменной СВЧ-электронике при разработке и совершенствовании новых источников электромагнитного СВЧ-излучения, в которых вместо волноводов с односвязным поперечным сечением используются коаксиальныеволноводы.

Результаты диссертационной работы по спектрам поверхностныхволн в коаксиальных волноводах могут быть использованы при дальнейшемразвитии теории волн в диспергирующих пространственно-ограниченныхсредах. Теория пучково-плазменного взаимодействия в коаксиальных плазменных волноводах вносит новый вклад в общую теорию электромагнитныхвзаимодействий электронных пучков с плазмой.Апробация работыРезультаты научных исследований по материалам диссертации докладывались на следующих конференциях: XXXVIII Международная (Звенигородская) конференция по физикеплазмы и УТС. г.

Звенигород, 14-18 февраля 2011 [А5]. XL Международная (Звенигородская) конференция по физике плазмыи УТС. г. Звенигород, 11-15 февраля 2013 [А6]. XLI Международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и УТС. г. Звенигород, 10-14 февраля 2014 [А7]. CSCPIER, Complex Systems of Charged Particles and Their Interactionswith Electromagnetic Radiation, Moscow, Russia, April 5-7, 2017.Также результаты научных исследований по материалам диссертациидокладывались на семинарах и заседаниях кафедры физической электроникифизического факультета МГУ им. М.В.

Ломоносова, на семинаре экспериментального отдела в ИОФ РАН им. А.М. Прохорова.ПубликацииПо материалам диссертации опубликовано семь печатных работ [А15А7]. Четыре статьи, содержащие основные результаты работы, представленыв рецензируемых научных журналах [А1-А4].Личный вклад автораМатериалы, представленные в диссертационной работе, получены автором лично. Научные задачи, поставленные в диссертационной работе, разрабатывались совместно с научным руководителем. Автором были написаныкомпьютерные программы, позволяющие рассчитывать параметры коаксиальных электродинамических систем, определять спектры и поля существующих в них электромагнитных волн.Структура и объем диссертацииДиссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Полныйобъем диссертации составляет 118 страниц, включая 45 рисунков, 2 таблицыи список литературы из 120 наименований.Каждая из пяти глав диссертации содержит в себе постановку исследовательской задачи и ее последующее решение.Содержание работыВо введении и обзоре литературы говорится о зарождении и развитииплазменной релятивистской СВЧ-электроники, описано состояние даннойобласти научных исследований на настоящий момент времени.

Обоснованаактуальность диссертационной работы, сформулированы ее цели и задачи;показана научная новизна и практическая ценность результатов работы.Представлена информация о личном вкладе автора, о публикациях по тематике диссертационной работы, и об апробации диссертационной работы.Глава I посвящена исследованию электродинамических свойств коаксиального волновода с трубчатым плазменным заполнением в сильномвнешнем магнитном поле. Получено дисперсионное уравнение для спектровчастот коаксиального волновода с полностью замагниченной трубчатойплазмой [7-9] и формулы для компонент электромагнитного поля волнЕ-типа.

Спектры частот и структура электромагнитного поля исследованычисленно и аналитически. Характерные дисперсионные кривые (k z ) и ком6понента поля Ez (r ) (отн. ед.) представлены на Рис.1 и Рис.2.Рис.1. Дисперсионные кривые коаксиального волновода с плазменным заполнением.Жирная линия – низкочастотная волна. Плазменная частота  p  20  1010 рад  с 1 ,внутренний и внешний радиусы волновода R1  0.5 см и R2  2 см .Рис.2.

Структура поля в коаксиальном волноводе с плазменным заполнением. Поле низкочастотной плазменной волны вычислено при k z  2 см 1 . Область плазмы обозначена пунктиром.Аналитически исследованы спектры частот и поля коаксиальногоплазменного волновода в длинноволновой и коротковолновой областях. Вчастности, в длинноволновом пределе спектр основной низкочастотной симметричной поверхностной плазменной моды имеет вид7r1 ln (r1 R1 )  r2 ln ( R2 r2 ) c2  k z c1  2  r1 r2 (r2  r1 ) ln( r1 R1 )  ln( R2 r2 ) p1 2,(1)r1, 2 - внутренний и внешний радиусы плазменной трубки. Уравнение (1) опи-сывает случай плазмы конечной толщины. В случае тонкой плазмы p  r2  r1  r1 спектр определяется формулойln ( R2 R1 )c2  k z c1  2  rp  p ln( rp R1 )  ln( R2 rp ) p1 2,(2)где rp - средний радиус плазменной трубки.Далее, в Главе 1 рассмотрены волны плотности заряда полностью замагниченного релятивистского электронного пучка в коаксиальном волноводе и получена следующая формула для предельного тока Пирса релятивистского электронного пучка:I Пирса  I 0ln R2 R1u3 3.3c2 ln rb R1  ln R2 rb(3)Здесь I 0  mc3 / e  17.04 кА, rb - средний радиус трубчатого пучка, u - скоростьэлектронов пучка,   ( 1  u 2 c 2 ) 1 2 - их релятивистский фактор.

Предельныйток коаксиального волновода в разы превышает соответствующий предельный ток некоаксиальных волноводов сопоставимых размеров. Результаты,полученные в Главе I, представлены в работах [А1, А2, А5].Глава II посвящена исследованию коаксиальных плазменных волноводов с трубчатым плазменным заполнением в отсутствие внешнего магнитного поля. Получено дисперсионное уравнение для спектров частот коаксиального волновода с трубчатой плазмой при нулевой величине внешнегомагнитного поля и формулы для компонент электромагнитного поля волн Етипа. Спектры частот и структура электромагнитного поля исследованы численно и аналитически.