Автореферат (1102475), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Метод интегральных уравнений (ИУ), заключающийся в сведенииуравнений электродинамики к поверхностным интегральным уравнениям сфункцией источника в ядре, зависящем от расстояния между точкамиинтегрирования и наблюдения на поверхности замедляющей структуры. Методпозволяет рассматривать дифракцию поля промодулированного электронногопотока на односвязных и многосвязных структурах, связывая значенияприповерхностных полей периодической системы с ее значениями во всемобъеме пространства взаимодействия.2. Матричный многомодовый метод (МММ) - вариант метода поперечныхсечений, основанный на разбиении произвольного нерегулярного волновода наотрезки гладких волноводов сравнения и разложении полей на этих участках пополным для решения уравнений Максвелла системам функций – модамгладкого волновода.

Метод позволяет исследовать нестационарные процессысамосогласованного взаимодействия потока и поля в изучаемых структурах,определять эффективность, модовый состав и спектр излучения.Достоверность и обоснованность применяемых моделей в закрытыхсистемах (с профилем в виде односвязного контура) доказываетсясопоставлением результатов, полученных с помощью обоих использованных-6-теоретических подходов, с известными данными, полученных другимиэлектродинамическими методами. В частности, распределения полей в гладкомцилиндрическом волноводе (при нулевой гофрировке) для выбранной в работеполяризации сравнивались с известными аналитическими зависимостями,дисперсионные характеристики – с полученными методом Уолкиншоу [6]. Вслучае открытых систем на последовательности торов (с многосвязной формойконтура) адекватность первой из развиваемых моделей в ее асимптотическомприближении для одного тора большого радиуса доказывает сравнение ихорошее совпадение с данными, полученными аналитически в классическоймодели рассеяния на цилиндре [7].Научная новизна работы определяется достижением следующихприоритетных результатов. Разработан метод математического моделирования дифракционногоизлучениятрубчатогорелятивистскогоэлектронногопотокавсверхразмерных осесимметричных периодических волноводах в областичастот π- и 2π-вида колебаний основной аксиально-симметричной моды. Построены и программно реализованы вычислительные алгоритмы, которыепри моделировании реальных осесимметричных сверхразмерных структурдостаточно большой, но конечной длины (2040 периодов) используютпериодичность системы, сокращая этим время численного эксперимента. Впервые в широком диапазоне частот изучены резонансные свойстваоткрытых осесимметричных периодических систем на последовательноститоров, возбуждаемых промодулированным трубчатым электронным потоком,и обоснованы перспективы использования открытых периодических системв релятивистских дифракционных генераторах. В приближении медленно меняющихся амплитуд впервые былипроанализированы процессы возникновения и установления генерации водно- и двухсекционных структурах релятивистского дифракционногогенератора. Сопоставление характера особенностей полей, устанавливающихся всекциях сверхразмерных периодических волноводов, на частотах вблизи 2πвида колебаний основной аксиально-симметричной моды периодическойструктуры и на критической частоте ближайшей к 2π-виду собственнойобъемной моды эквивалентного гладкого волновода позволило теоретическидоказать, что режим совмещения двух указанных механизмов существенноповышает значение КПД и устойчивость генерации в РДГ.-7-Практическая значимость результатов проведенного в представленнойработе исследования определяется необходимостью теоретического ичисленного анализа для определения границ рабочих областей устойчивойгенерации, нахождения геометрических параметров наиболее эффективныхустройств, чтобы снизить до минимума риск безрезультатных поисков рабочихрежимов РДГ при проведении дорогостоящих и требующих длительнойподготовки реальных физических экспериментов.

В работе полученыследующие результаты. Развит теоретический метод и создан комплекс программ, позволяющихисследовать резонансные режимы дифракционного излучения трубчатогорелятивистского электронного потока в сверхразмерных осесимметричныхпериодических структурах конечной длины, описываемых односвязнымили многосвязным профилем поверхности, в области частот π- и 2π-видаколебаний основной аксиально-симметричной моды. Результаты численного исследования позволили объяснить рядхарактеристик существующих экспериментальных макетов РГДИ и могутбыть использованы для создания устройств с улучшеннымихарктеристиками. На основе анализа результатов численного моделирования быливыработаны практические рекомендации по выбору параметровсильноточного пучка и геометрии замедляющей структуры, которые могутобеспечить эффективные режимы устойчивой генерации релятивистскихгенераторов дифракционного излучения.Выносимые на защиту положения1.В открытых структурах на последовательности торов выявлены различныережимы отклика системы на возбуждение электронным потоком в зависимостиот нормированной частоты (возбуждение индивидуальных колебаний торов;возникновение продольных колебательных мод вблизи π-вида и резонансовгибридных волн вблизи 2π-вида), длины и диаметра структуры (фильтрациямод вблизи границ полос прозрачности).2.В одно- и двухсекционных структурах как открытого, так и закрытого типа,частота ближайшего к π-виду резонанса существенно зависит от длинысистемы, поскольку механизм возникновения резонансов определяетсяустановлением в системе резонансов поверхностной волны, которые создаютпереотражения от краев структуры.

В двухсекционных системах РДГ частотаближайшего к 2π-виду резонанса практически не зависит от длины секций,-8-так как наряду с поверхностной волной, обеспечивающей синхронизм спотоком, вблизи границ высших полос прозрачности основным механизмомформирования резонансов является образование объемных волн.3.Показано повышение эффективности и устойчивости генерации при переходеот односекционных к двухсекционным структурам РДГ и теоретическидоказано, что режим совмещения резонансов на частотах вблизи 2π-видаколебаний основной аксиально-симметричной моды периодической структурыи на критической частоте ближайшей к 2π-виду собственной объемной модыэквивалентного гладкого волновода существенно повышает значение КПД иустойчивость генерации в двухсекционных системах РДГ и приводит красширению рабочего диапазона тока пучка, при котором генерация остаетсяодночастотной.Апробация работы Основные результаты диссертационной работы былипредставлены автором лично на следующих российских и международныхшколах-семинарах и конференциях: V, VII, XI, XII Всероссийских школахсеминарах «Волновые явления в неоднородных средах».

(Красновидово, 1996,2000; Звенигород, 2008, 2010), VI, VIII, XII Всероссийских школах-семинарах«Физика и применение микроволн» (Красновидово, 1997; Звенигород 2001,2009), IX, X межвузовских научных школах молодых специалистов«Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике,экологии и медицине» (Москва, 2008, 2009); 41st , 42nd Days on Diffraction (SaintPetersburg, 2009, 2010), а также на семинарах кафедры физической электроникии кафедры общей физики физического факультета МГУ.Публикации Всего по теме диссертации автором опубликовано вроссийских и зарубежных рецензируемых научных журналах, в которыхдолжны быть опубликованы основные научные результаты диссертации насоискание ученой степени кандидата наук (согласно списку ВАК), 5 статей.Кроме того, результаты работы автора были опубликованы также в 12 тезисах и1 статье в сборниках трудов российских и международных конференций (см.список в заключении).Личный вклад автора Все включенные в диссертацию результаты былиполучены лично автором или при его непосредственном участии.Интерпретация результатов производилась совместно с соавторами публикаций.Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения,аналитического обзора литературы (Глава 1), главы с изложением-9-математической постановки задачи и развиваемых методов исследования (Глава2), трех основных глав по данным численного эксперимента с изложениемвыносимых на защиту оригинальных результатов (Главы 3-5), заключения(содержащего общие результаты и выводы) и списка библиографии (142наименования).

Работа изложена на 175 страницах, содержит 62 рисунка.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении содержится описание состояния области исследованиямноговолновых приборов с длительным продольным взаимодействиемтрубчатого РЭП с полями осесимметричных сверхразмерных замедляющихструктур. Формулируются основные цели и задачи исследования,обосновываются актуальность темы и достоверность применяемых моделей,перечисляются наиболее важные результаты диссертационной работы суказанием их новизны и практической значимости, кратко излагаетсясодержание работы.Первая глава составлена в форме аналитического обзора литературы,посвященнойэкспериментальномуитеоретическомуисследованиючеренковских и дифракционных устройств релятивистской сильноточной СВЧэлектроники.

В главе рассматриваются общие физические принципы работытаких приборов, кратко перечисляются технические характеристикиихэкспериментально реализованных моделей и развитые ранее подходы к ихтеоретическому описанию. В частности, в п. 1.1 прослеживаются тенденцииразвития традиционной и релятивистской сильноточной СВЧ-электроники, п.1.2 посвящен рассмотрению явления дифракционного излучения и методов еготеоретического описания.В п. 1.3 рассматриваются известные ранее методы теоретического анализаустройств такого типа, проводится их сравнение и анализ границприменимости. Наибольшее внимание уделяется точным электродинамическимметодам, в частности основанным на прямом решении уравнений Максвелла сзаданными граничными и начальными условиями.

Характеристики

Список файлов диссертации