Диссертация (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 плазмыДиссертация на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукНаучный руководительКузелев Михаил Викторович,Доктор ф.-м. наук, профессорМосква 2017ОглавлениеВведение и обзор литературы………………………………………………….5Глава I. Коаксиальный плазменный волновод в сильном внешнем магнитном поле……………………………………………………………………..16§1.1.

Дисперсионное уравнение для спектров частот цилиндрического коаксиального волновода с полностью замагниченной трубчатой плазмой.Структура электромагнитного поля……………………................................16§1.2. Спектры частот коаксиального плазменного волновода в длинноволновой и коротковолновой областях…………………...…………………......21§1.3. Результаты численного исследования спектров частот и структур полей коаксиального плазменного волновода в сильном магнитном поле….24§1.4. Предел бесконечно тонкой трубчатой плазмы………….…………….33§1.5. Волны плотности заряда полностью замагниченного релятивистскогоэлектронного пучка в цилиндрическом коаксиальном волноводе………...37§1.6. Предельный вакуумный ток релятивистского электронного пучка вкоаксиальном пространстве дрейфа………………………………...……….41Глава II. Коаксиальный плазменный волновод в отсутствие внешнегомагнитного поля……….……………………………………………………….47§2.1.

Дисперсионное уравнение для спектров частот коаксиального волновода с трубчатым плазменным заполнением. Структура электромагнитногополя…………………………………………………………………………….47§2.2. Результаты численного исследования спектров частот коаксиальногоплазменного волновода в отсутствие внешнего магнитного поля………...50§2.3. Длинноволновое приближение……………………..………………….54§2.4. Использование метода эффективных граничных условий в теории поверхностных волн тонкой трубчатой плазмы в коаксиальном волноводе вотсутствие внешнего магнитного поля……………………………...………572Глава III. Коаксиальный плазменный волновод в конечном внешнеммагнитном поле……………………………………………………………..…..63§3.1.

Дисперсионное уравнение и структура электромагнитного поля длякоаксиального волновода с однородным плазменным заполнением……...63§3.2. Некоторые особенности спектров частот электромагнитных волн коаксиального волновода с однородным плазменным заполнением. Кабельные волны коаксиального плазменного волновода. Длинноволновое приближение………………………………………………………………………66§3.3.

Использование метода эффективных граничных условий в теории поверхностных волн тонкой трубчатой плазмы в коаксиальном волноводе вконечном внешнем магнитном поле……………..…………………………..72Глава IV. Теория плазменных релятивистских черенковских излучателей с коаксиальной электродинамической системой в сильном внешнеммагнитном поле………..………………………………………..………………77§4.1. Дисперсионное уравнение пучково-плазменного взаимодействия вкоаксиальном волноводе…………………………………...…………………77§4.2. Усиление электромагнитных волн в коаксиальном волноводе с тонкими трубчатыми плазмой и электронным пучком.

Классификация механизмов усиления………………………………………………...…………….83§4.3. Результаты численного исследования дисперсионного уравненияпучково-плазменного взаимодействия в коаксиальном волноводе…...…..85§4.4. Условия самовозбуждения и к.п.д. плазменного СВЧ-излучателя с коаксиальным резонатором………..……………………………………………95Глава V. Теория пучково-плазменного взаимодействия в коаксиальныхволноводах в конечном внешнем магнитном поле……………………..….98§5.1. Использование метода эффективных граничных условий для получения дисперсионного уравнения пучково-плазменного взаимодействия вконечном внешнем магнитном поле……………………..…………………..983§5.2. Вывод дисперсионных уравнений пучково-плазменного взаимодействия в конечном внешнем магнитном поле…………………………………101§5.3.

Классификация механизмов неустойчивостей в конечном внешнеммагнитном поле……………...……………………………………………….104Выводы………………………...…………………………………………….108Список литературы……………………..……………………………….…1104Введение и обзор литературыРаздел физики плазмы под названием плазменная сверхвысокочастотная электроника (СВЧ-электроника) появился после выхода совместных работ Ахиезера А.И. и Файнберга Я.Б., Бомма Д. (Bohm D.) и Гросса Э. (GrossE.P.), в которых теоретически предсказано явление пучковой неустойчивостив плазме [1, 2].

Явление пучковой неустойчивости состоит в черенковскомвозбуждении электронным пучком волн в плазме [1, 2]. С помощью решенийсоответствующих электродинамических уравнений было получено дисперсионное уравнение, описывающее данное явление [3-11].Вслед за теоретическим открытием явления пучковой неустойчивости вплазме в конце 1950-х и начале 1960-х годов последовали первые эксперименты, демонстрирующие высокоэффективное взаимодействие пучка иплазмы [12-14]. Проведенные эксперименты подтвердили теорию о том, чтопри прохождении пучка через плазму генерируются колебания высокой частоты. В экспериментах впервые были созданы плазменные источники СВЧизлучения, что и является основной целью изучения пучковых неустойчивостей в плазме.Успешные эксперименты с электронным пучком повлияли на дальнейшее развитие теории по этому направлению. В конце 1950-х годов в светвышло большое количество статей [15-18] и полноценных монографий [1922].

Работы [15-17] посвящены рассмотрению распространения электромагнитной волны в плазменном стержне в однородном постоянном магнитномполе, рассмотрены механизмы пучковых неустойчивостей. Изучение пучковых неустойчивостей напрямую связано с созданием плазменных источниковСВЧ-излучения – плазменных СВЧ-генераторов и усилителей. Например,практическому применению явления пучково-плазменной неустойчивости вплазменных СВЧ-генераторах и усилителях посвящена вышедшая в 1965 году монография [23]. Помимо представленных последних исследований в работе были отмечены проблемы нерелятивистской СВЧ-электроники.

Главная5проблема заключалась в том, что нерелятивистская СВЧ-электроника не могла конкурировать с вакуумной СВЧ-электроникой и с ее приборами.Основным минусом проведенных экспериментов была малая эффективность излучения. В 1970-х годах с появлением сильноточных релятивистских электронных пучков произошел сдвиг в дальнейшем развитии плазменной СВЧ-электроники [24, 25]. Выяснилось, что проблема малой эффективности излучения заключалась в нерелятивизме электронного пучка, а не вплохой эффективности взаимодействия пучка с плазмой.Обзор нерелятивистского периода плазменной СВЧ-электроники представлен в работе [26]. Развитие теории и эксперимента релятивистских сильноточных электронных пучков описано в работах [27-29].

Отметим, что здесьи далее речь идет о создании плазменных СВЧ-источников излучения, основанных на неустойчивостях, обусловленных вынужденным эффектом Черенкова [30]. В работах [31, 32] впервые введены понятия предельных вакуумных токов (таких как ток Богданкевич-Рухадзе, ток Пирса), сформулированыпринципы сильноточной релятивистской СВЧ-электроники и предложеноиспользовать релятивистские пучки для генерации электромагнитного излучения.Тот факт, что плазма имеет спектр собственных колебаний и волн, послужил стимулом к переходу от громоздких резонаторов и замедляющихсистем вакуумных СВЧ-приборов к гладким системам – волноводам [33-35].Традиционно годом рождения релятивистской СВЧ-электроники считается 1972 год. В этом году впервые успешно прошел эксперимент по генерации СВЧ-излучения.

Эксперимент был проведен двумя институтами: ИОФАН (ФИАН Физический институт им. М.П. Лебедева АН СССР) и ИПФАН(НИРФИ – Горьковский радиофизический институт) [36]. В результате эксперимента удалось экспериментально воплотить черенковский генератор типа ЛОВ (прибор релятивистской вакуумной СВЧ-электроники) на релятивистском электронном пучке (ток пучка I b  8 кА, энергия пучка E  670 кэВ).Эксперименты на данном генераторе проводились и в дальнейшем [37], и6было достигнуто увеличение к.п.д.

(коэффициент полезного действия) генератора с   15% до   30% . При этом улучшение параметров было достигнуто путем увеличения величины магнитного поля.В дальнейшем исследования черенковского генератора происходилипараллельно в Харьковском физико-техническом и США [38-40]. Периодразвития СВЧ-электроники вплоть до 1980-х годов описан в работе [41]. Вэтой работе описаны эксперименты в области СВЧ-электроники имеющиеместо на тот период времени, дано подробное описание линейной и нелинейной теории плазменных генераторов на основе модели холодной электроннойплазмы и моноэнергетического электронного пучка.

Получены стартовые токи пучка для возбуждения генератора, частоты возбуждаемых волн в случаелинейной теории, определено к.п.д. генератора в случае нелинейной теориигенератора.Последующее исследование черенковских генераторов вакуумного типа происходило и после описанных экспериментов вплоть до создания в 1982году первого плазменного СЧВ-генератора на вынужденном черенковскомизлучении релятивистского электронного пучка в плазменном волноводе[42-44].В приборах вакуумной СВЧ-электроники используется заполнениеволновода плазмой, что позволяет скомпенсировать пространственный зарядпучка. Заполнение волновода плазмой используется и в плазменных приборах СВЧ-электроники, однако в этом случае плазма играет роль замедляющей структуры.

К приборам вакуумной СВЧ-электроники относятся приборыЛБВ и ЛОВ, в них используется черенковский механизм неустойчивости [45,46].Плазменный релятивистский СВЧ-генератор (ПРГ) представляет собойметаллический волновод радиуса R , заполненный трубчатой плазмой, наконце волновода помещается излучающий рупор, под которым подразумевается коаксиальный вакуумный волновод с внешним радиусом R металличе7ского плазменного волновода и внутренним r0  rp ( rp - радиус плазменнойтрубки). На входе волновода имеется катод ускорителя и металлическая сетка, которая непрозрачна для излучения, но прозрачна для электронов пучка.В волновод инжектируется электронный пучок, а сама система помещается всильное внешнее магнитное поле.Первый плазменный релятивистский СВЧ-генератор был создан в ИОФАНе на основе ускорителя Терек-2 [42-44].