Нелинейные явления при усилении электромагнитных волн интенсивными электронными потоками в многолучевых микроволновых усилителях (1097764)
Текст из файла
На правах рукописиСАНДАЛОВ Александр НиколаевичНелинейные явления при усилении электромагнитных волнинтенсивными электронными потокамив многолучевых микроволновых усилителяхСпециальность 01.04.04 –физическая электроникаАвтореферат диссертациина соискание ученой степенидоктора физико-математических наукМосква – 2006Работа выполнена на физическом факультетегосударственного университета им. М.В. Ломоносова.Научный консультант: докторпрофессор Канавец Василий Иванович.Московскогофизико–математическихнаук,Официальные оппоненты:Доктор физико–математическихЛеонид Стефанович,наук,профессорКузьменковДоктор физико–математических наук, ведущий научный сотрудникМайоров Сергей Алексеевич,Доктор физико–математических наук, профессор Солнцев ВикторАнатольевич.Ведущая организация: Московский инженерно - физический институт(государственный университет).Защита диссертации состоится “ 21 “ сентября 2006 г.
в 15 часов назаседании диссертационного совета № Д 501.001.66 в МГУ им. М.В.Ломоносова по адресу: 119992, г. Москва, ГСП-2, Ленинские горы, МГУ,д. 1, стр. 2, физический факультет, ауд. № 5-19.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физическогофакультета МГУ им. М.В. Ломоносова по адресу: 119992 г. Москва, ГСП2, Ленинские горы, МГУ, д. 1, стр. 2, физический факультет.Автореферат разослан “ 21 “ июля 2006 г.Ученый секретарьдиссертационного советакандидат физико–математических наукЕршов А.П.2Введение, актуальность темы диссертации. Проблема созданиямощных генераторов и усилителей когерентного микроволновогоизлучения занимает значительное место в современной радиофизике.Использование источников мощного микроволнового излучения вускорительной технике, радиолокации и связи, гражданской и военнойпромышленности требует непрерывного повышения их выходныххарактеристик: выходной мощности, коэффициента полезного действия,расширения полосы усиливаемых частот.Практическая реализация этих задач представляет собой сложнуюнаучную проблему, решение которой возможно лишь с привлечениемчисленных методов исследования на базе современной вычислительнойтехники, подробного теоретического анализа физических процессов,происходящих в микроволновых генераторах и усилителях, и ихэкспериментального изучения.Повышение выходной мощности микроволновых приборовнеразрывно связано с увеличением энергии электронных потоков.
Переходв релятивистскую область энергий, где исследования высокоэффективноговзаимодействия приобретают другое качество, требует применения новыхфизических идей и технических решений. Разработка и созданиерелятивистских клистронных усилителей позволит значительно повыситьвыходные характеристики приборов и расширить область их применения.Коэффициент полезного действия серийных микроволновыхприборов с продольным взаимодействием не превышает 50%, и лишьотдельные экспериментальные образцы узкополосных клистронныхусилителей имеют эффективность более 60%. Поэтому весьма актуальнаразработка и создание усилительных устройств с коэффициентомполезного действия более 70%.Расширение полосы усиления мощных клистронных усилителей до10% – 14% стало особенно важным в последние годы в связи снеобходимостью решения задач, связанных с передачей информации ирешением энергетических проблем.Основнымэлементоммикроволновогоприбораявляетсяэлектронный поток, важной характеристикой которого служит первеанс P ,определяемый отношением тока пучка I 0 к ускоряющему напряжению V0 :P = I 0 V03 2 .
Первеанс определяет меру интенсивности потока.Интенсивными считаются потоки, у которых первеанс принимаетзначения, большие 10 −8 − 10 −7 A/B3 2 . Ввиду малости численного значенияпервеанса пользуются более удобной величиной – микропервеансом Pµ ,определяемой как: Pµ = P ⋅ 10 6 . Поэтому интенсивными будут потоки с3микропервеансом Pµ более 0,01 - 0,1, а в интенсивных потоках важнуюроль играют силы пространственного заряда.В мощных микроволновых приборах, таких как клистронныйусилитель, лампа бегущей волны (ЛБВ) и др., микропервеанс обычнолежит в интервале от 0,5 до 10. Физические процессы, протекающие в этихприборах, становятся сильно нелинейными, а это накладывает жесткиетребования на теоретические методы их анализа.Увеличение выходной мощности микроволнового прибораPвых = I 0 V0 = PV05 2 происходит за счет увеличения либо напряжения V0 ,либо первеанса электронного пучка P . Поскольку повышениеускоряющего напряжения нежелательно, то необходимо увеличитьмикропервеанс электронного потока.
Эта возможность была реализована вСССР С.А. Зусмановским и С.В. Королевым переходом к многолучевымэлектронным потокам и в дальнейшем П.В. Невским переходом кмноголучевым многоствольным электронным потокам.Исследованию физических процессов в мощных микроволновыхприборах были посвящены работы многих авторов: в клистронныхусилителях: И.Г. Артюха, В.И. Канавца, Ю.А.
Кацмана, А.А. Кураева, Д.М.Петрова, А.С. Победоносцева, А.З. Хайкова, и др.; в ЛБВ: Л.А.Вайнштейна, А.М. Каца, В.М. Лопухина, В.А. Солнцева, Д.И. Трубецкова,М.Б. Цейтлина и др. Однако вопросы высокоэффективноговзаимодействия до сих пор изучены недостаточно полно.Основная цель настоящей диссертационной работы заключается вразвитии теории самосогласованного взаимодействия переходноговынужденного излучения электромагнитных волн с интенсивнымиэлектронными потоками, основанной на учете динамики интенсивностипространственногозарядаиэкспериментальныхисследованияхнелинейного высокоэффективного взаимодействия электромагнитныхволн с интенсивными электронными потоками в мощных многолучевыхклистронных усилителях.Научная новизна результатов диссертационной работы.
Развитатеория высокоэффективного взаимодействия электромагнитных волн синтенсивными электронными потоками, основанная на учете динамикиинтенсивности пространственного заряда, которая позволила выявить рядэффектов, открывающих пути реализации новых классов мощныхмноголучевых клистронных усилителей в том числе:Расслоения электронного потока и его влияние на группированиеэлектронов, способы его компенсации путем воздействия на электронныйпоток полями резонаторов основной частоты, разнозазорных резонаторов ирезонаторов высших гармоник.Динамической расфокусировки электронного потока и её влияние на4эффективность группирования, приводящей к повышению эффективностимногорезонаторных клистронов.Принципвысокоэффективногогруппированиявмощныхмноголучевых клистронных усилителях на основе пучков с пониженнымзначением первеанса, позволяющий реализовать приборы с полосойусиливаемых частот более 10% и эффективностью более 50%.Программные комплексы Клистрон – МГУ и Арсенал - МГУ,созданные автором и под его руководством, позволяют методамипровестианализнелинейноговычислительногоэкспериментавзаимодействия электромагнитных волн с полями электродинамическихструктур в мощных клистронных усилителях от катода до коллектора.На основе развитой теории и результатов вычислительногоэксперимента предложены новые модели и принципы построениямноголучевых клистронных усилителей.Компенсациярасслоенияиреализациядинамическойрасфокусировки электронного потока позволяют получить КПД 70% иболее.
Эксперименты, проведенные в отраслевых НИИ, привели ксозданию многолучевых клистронных усилителей с указаннойэффективностью. В этих экспериментах подтверждено действиерезонаторов на второй гармонике основного сигнала в узкополосномрежиме на эффективность устройства в целом, а в режимеширокополосного усиления на форму частотной характеристики.Впервые в мире разработан релятивистский клистронный усилительс термоэмиссионным катодом и периодической фокусирующей системойна постоянных магнитах. Испытания клистрона, проведенные в ИЯФ СОРАН, позволили получить на частоте 7 ГГц усиление входного сигнала до50 дБ при эффективности более 50 % и выходной мощности около 2 МВт.На многолучевом релятивистском генераторе получена выходнаямощность более 30 МВт в трехсантиметровом диапазоне длин волн сдлительностью импульса более 20 нс и 10 МВт на длине волны 1,5 см.Впервые реализованы релятивистские клистронные усилители,работающие на взрывоэмиссионных катодах.
На релятивистскомклистроне КМТ-1 получено усиление 26 дБ.Обоснована возможность создания сверхмощного релятивистскогомноголучевого клистронного усилителя с выходной мощностью более 1ГВт и длительностью импульса до 1 мкс.Научнаяипрактическаязначимость.Разработаныматематические модели и методы численного анализа нелинейных явленийв мощных многолучевых микроволновых приборах, позволяющие учестькулоновское взаимодействие заряженных частиц, их трехмерное движениев электрических и магнитных полях при релятивистских и5нерелятивистских скоростях электронов и переменной структуреэлектромагнитного поля. Использование этих моделей послужило основойдля реализации приборов с высокой эффективностью.Созданные на основе этих численных моделей программныекомплексы Клистрон – МГУ и Арсенал – МГУ используются в России,Франции, Японии и Китае для разработки и конструирования мощных исверхмощных узкополосных и широкополосных клистронных усилителей.На основе проведенных исследований высокоэффективногогруппирования электронов и энергообмена электромагнитного поля иэлектронного пучка в выходной системе с учетом кулоновскоговзаимодействия, влияния эффектов расслоения и динамическойрасфокусировки электронного потока созданы многолучевые клистронныеусилители с эффективностью более 70%.Физические принципы группирования электронов и энергообмена вширокой полосе усиливаемых частот использованы для разработки исоздания широкополосных многолучевых клистронных усилителей.
Вдлинноволновом диапазоне с полосой усиливаемых частот до 14% и вкоротковолновом – до 8%.Созданные на базе проведенных экспериментальных исследованийрелятивистские клистронные усилители могут быть использованы дляпроведения физических исследований в различных областях науки итехники.Автор защищает следующие положения:1. Развитиетеориисамосогласованноговзаимодействияэлектромагнитных волн с интенсивными электронными потоками,основанной на учете динамики интенсивности пространственного заряда иэкспериментальных исследованиях нелинейного высокоэффективноговзаимодействия электромагнитных волн с интенсивными электроннымипотоками в мощных многолучевых клистронных усилителях.2.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
