Автореферат (Трансформация мод и излучение зарядов в круглом волноводе с однородной и двухслойной областями)

На правах рукописиГригорьева Александра АндреевнаТРАНСФОРМАЦИЯ МОД И ИЗЛУЧЕНИЕ ЗАРЯДОВ В КРУГЛОМВОЛНОВОДЕ С ОДНОРОДНОЙ И ДВУХСЛОЙНОЙ ОБЛАСТЯМИСпециальность 01.04.03 — «Радиофизика»Авторефератдиссертации на соискание учёной степеникандидата физико-математических наукСанкт-Петербург — 2018РаботавыполненавФедеральномгосударственномбюджетномобразовательном учреждении высшего образования «Санкт-Петербургскийгосударственный университет» (СПбГУ)Научный руководитель:д.ф.-м.н., профессорТюхтин Андрей ВикторовичОфициальные оппоненты:Заборонкова Татьяна Михайловна,д.ф.-м.н., профессор,Нижегородский государственный техническийуниверситет им. Р.Е.

АлексееваКотов Олег Иванович,д.ф.-м.н., профессор,Санкт-Петербургский политехническийуниверситет Петра ВеликогоВедущая организация:Федеральное государственное автономноеобразовательное учреждение высшегообразования «Санкт-Петербургскийгосударственный электротехническийуниверситет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова(Ленина)»Защита состоится 20 июня 2018 г.

в ____ часов на заседании диссертационногосовета Д 212.232.44, созданного на базе ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургскийгосударственный университет» по адресу: 199178, Санкт-Петербург, Среднийпр. В.О., д. 41/43, ауд. 304.С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке им. М. ГорькогоСПбГУ и на сайте https://disser.spbu.ruАвтореферат разослан «____» ___________ 2018 г.Учёный секретарьдиссертационного советаД 212.232.44,к.ф.-м.н.Комолкин А.В.Общая характеристика работыАктуальность темы. Теоретический анализ электромагнитного полязаряда, движущегося внутри кусочно-регулярного волновода, представляетинтерес для развития метода кильватерного ускорения заряженных частиц [1*–3*], для создания гигагерцовых и терагерцовых источников излучения наоснове диэлектрических волноводов [4*, 5*] и для диагностики пучков частиц[6*, 7*]. Следует отметить, что в подавляющем большинстве работ в этойобласти исследуются бесконечные регулярные слоистые волноводы (обычнокруглые, реже прямоугольные). Наличие поперечных границ раздела в такихструктурах учитывалось ранее только при условии поперечно однородногозаполнения контактирующих областей [8*, 9*].

Между тем, сочетание слоистойструктуры заполнения с поперечной границей раздела приводит кпринципиально иным и гораздо более сложным задачам. Их актуальностьподчеркивается тем, что применяемые на практике диэлектрические структурыиз-за сложностей в их изготовлении имеют относительно небольшую длину (неболее десятков сантиметров), так что задача взаимодействия поля пучка споперечными границами становится весьма важной. Кроме того, стоитотметить, что решение такого рода задач способствует развитию теорииволноведущих структур с резкими неоднородностями.Цель работы заключается в проведении аналитического и численногоисследования электромагнитного поля заряда, движущегося с постояннойскоростью вдоль оси круглого волновода с поперечной границей междуполубесконечной областью, однородно заполненной диэлектриком, иполубесконечной двухслойной областью, содержащей цилиндрическийдиэлектрический слой и соосный канал.

Рассматривается такая ситуация, когдаскорость заряда больше скорости света в материале слоя, но меньше скоростисвета в однородной области и в канале (основное внимание уделяется случаю,когда эти области являются вакуумными). При этом излучение ВавиловаЧеренкова присутствует только в двухслойной области волновода. Длядостижения данной цели решаются следующие задачи:анализ эффекта трансформации поперечно-магнитной моды напоперечной границе как в случае падения моды со стороны однороднойобласти, так и в случае падения моды со стороны двухслойной областиволновода;3анализ эффекта проникновения черенковского излучения в однороднуюобласть волновода в случае вылета заряда из двухслойной области;анализ процесса формирования кильватерного поля в двухслойнойобласти волновода в случае влета заряда в эту область.Положения и результаты, выносимые на защиту.1.

Результаты исследования задачи о взаимодействии волноводной моды споперечной границей между однородной и двухслойной областями, изкоторых вытекает, что: при относительно малой толщине цилиндрического слоя трансформацияпадающей моды является эффектом первого порядка малости; распространяющиеся моды в отраженном и проходящем поляхгенерируются не только при падении распространяющейся моды, но и вслучае эванесцентной падающей моды; построенный алгоритм расчета дает результаты, с высокой степеньюточности совпадающие с результатами численного моделирования.2. Результаты исследования задачи о вылете заряда из двухслойной областиволновода в вакуумную, из которых вытекает, что: каждая волноводная мода черенковско-переходного излучения,выходящего в вакуумную часть волновода, существует в области,граница которой движется с групповой скоростью моды; черенковско-переходное излучение в широком диапазоне значенийтолщины диэлектрического слоя является, как правило, мультичастотными мультимодовым, в то время как для тонкого слоя возможно достижениепрактически одночастотного и одномодового излучения.3.

Результаты исследования задачи о влете заряда в двухслойную областьволновода из вакуумной, из которых вытекает, что: в заданной точке в двухслойной области моды редуцированногокильватерного поля обрываются в момент времени, определяемыйгрупповой скоростью моды; количество существенных мод редуцированного кильватерного поля стечением времени уменьшается, причем этот процесс может происходитькак последовательно (с уменьшением номеров обрывающихся мод), так ив более сложном порядке (в том числе с чередованием мод с большими именьшими номерами).4Научная новизна результатов,заключается в следующем.представленныхвдиссертации,Впервые аналитически и численно исследован процесс трансформацииволноводной моды в круглом волноводе на границе между однороднойобластью и двухслойной областью с центральным каналом. Полученоприближенное решение задачи в случае, когда толщина диэлектрического слояв двухслойной области волновода много меньше радиуса волновода.

Описановлияние радиуса канала на коэффициенты отражения и прохождения мод.Проведены численные расчеты коэффициентов отражения и прохождения, атакже энергетических характеристик мод. Отмечено, что генерацияраспространяющихся мод может происходить даже в том случае, когдападающая мода является эванесцентной ("местной"). Показано хорошеесовпадениерезультатовпостроенногоалгоритмасрезультатамимоделирования, проведенного в системе Comsol Multiphysics.Впервые аналитически и численно исследовано излучение заряда итонкого гауссова пучка частиц, движущихся вдоль оси круглого бесконечноговолновода и вылетающих из диэлектрической области с вакуумным каналом вчисто вакуумную область.

Проведено описание черенковско-переходногоизлучения (ЧПИ), т.е. эффекта проникновения в вакуумную область волноводаизлучения Вавилова-Черенкова, генерируемого в двухслойной области.Проанализировано частотно-модовое распределение усредненной мощностиЧПИ. Показана возможность генерации одночастотного и одномодовогоизлучения в вакуумной области волновода. Описано влияние малой диссипациив диэлектрическом слое на поле ЧПИ.Впервые аналитически и численно исследовано излучение точечногозаряда и тонкого гауссова пучка частиц, движущихся внутри вышеописаннойволноведущей структуры и влетающих в двухслойную область.Проанализирована структура редуцированного кильватерного поля и процессего изменения со временем.Научнаязначимостьполученныхрезультатовсостоитваналитическом и численном исследовании описанных выше задач отрансформации волноводных мод и об излучении движущихся зарядов.

В этойсвязи, прежде всего, можно отметить описание следующих процессов иэффектов:процесс трансформации волноводной моды на поперечной границемежду вакуумной и двухслойной областями;5эффект черенковского-переходного излучения, которое генерируется ввакуумной области волновода при вылете заряда из двухслойной областиволновода;процесс изменения со временем редуцированного кильватерного поля вдвухслойной области волновода в случае влета заряда в нее.Достоверность полученных результатов обеспечивается посредствомприменения строгих аналитических методов электродинамики, математическойфизики, теории функции комплексной переменной и теории волноводов.Достоверность полученных результатов подтверждается их совпадением спредставленными в литературе частными случаями, а также путем ихсравнения с результатами численного моделирования рассмотренных задач,выполненного в системах Comsol Multiphysics и CST Particle Studio.Личный вклад автора.