Автореферат (1102876)
Текст из файла
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТимени М.В. ЛОМОНОСОВАФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТНа правах рукописиМИХЕЕВ Димитрий АлексеевичДИНАМИКА ПОПЕРЕЧНЫХ ВОЛН ЭЛЕКТРОННОГО ПОТОКАВ НЕОДНОРОДНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И МАГНИТНЫХ ПОЛЯХСпециальность: 01.04.03 – радиофизикаАвторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква, 2016Работавыполненанакафедрефотоникиифизикимикроволнфизического факультета Московского государственного университета имениМ. В. Ломоносова.Научный руководитель:доктор физико-математических наук, профессорПирогов Юрий АндреевичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН Диденко Андрей Николаевич(НИЯУ «МИФИ»)доктор технических наук, доцентМозговой Юрий Дмитриевич(НИУ «ВШЭ» МИЭМ)Ведущая организация:Институт радиотехники и электроникиимени В.
А. Котельникова РАНЗащита состоится «____» ________ 2016 г. в ___ часов ___ минут на заседаниидиссертационного совета Д 501.001.67 при МГУ имени М. В. Ломоносова поадресу: 119991, ГСП-1, Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 2, физический факультет, Центральная физическая аудитория имени Р. В. Хохлова.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультетаМосковского государственного университета имени М. В. Ломоносова.Автореферат разослан «____» ________ 2016 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 501.001.67кандидат физико-математических наук, доцент2А.Ф. КоролевОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работыВ современной электровакуумной технике большинство проводимыхфундаментальных исследований продиктовано необходимостью решения рядапрактических задач, главными из которых на текущий момент являются:1) Повышение выходной СВЧ мощности и энергии электровакуумныхустройств, работающих как в импульсном, так и в непрерывном режиме,повышение средней мощности импульсных приборов;2) Повышение эффективности использования энергии, запасенной в пучках вакуумных устройств, увеличение коэффициента полезного действия (КПД)приборов СВЧ;3) Освоение субтерагерцового и терагерцового диапазонов длин волн;4) Уменьшение массы и габаритов устройств СВЧ.Традиционно центральная роль отводится решению первых двух задач:создание мощных и высокоэффективных устройств СВЧ [1].
Использованиеустройств с одним цилиндрическим или трубчатым электронным потоком наданном этапе уже является недостаточным для решения указанных проблем,так как входная СВЧ мощность таких устройств сильно ограничена по уровнюмаксимального входного тока пучка и остается сравнительно невысокой.В настоящее время в отечественной вакуумной электронике вопрос повышения входной мощности устройств СВЧ решается применением многолучевых приборов на основе пучков круглого сечения [2]. Однако использованиеподобных устройств сопряжено с рядом затруднений, неизбежно возникающимпри разработке и изготовлении многолучевых приборов.
Во-первых, существует проблема фокусировки пучков, которые находятся в различных начальных условиях, что в итоге сказывается не только на эффективности устройствав целом, но и ограничивает его входную мощность. Во-вторых, при переходе вмиллиметровый и более коротковолновые диапазоны длин волн поперечныеразмеры как пучков, так и каналов, в которых они проходят, становятся3настолько малы, что «протянуть» все пучки вдоль канала взаимодействия безоседания электронов на стенки устройства представляется практически невозможным.В настоящей работе в качестве альтернативы многолучевым устройствампредлагается использование ленточных электронных потоков для создания высокомощных электровакуумных приборов СВЧ [3].
Ленточные электронные потоки с широким прямоугольным (или эллипсоидальным) сечением дают возможность реализовать одновременно большой ток пучка и низкую плотностьпространственного заряда, снизить уровень фокусирующего магнитного поля иобеспечить высокую эффективность устройств с широкой рабочей полосой частот, высокими значениями импульсной и средней мощности.Исследования, проведенные в последние годы за рубежом, продемонстрировали перспективность устройств СВЧ с ленточными электронными пучками. В настоящее время уже существуют экспериментальные образцы мощных устройств СВЧ с ленточными электронными пучками [4].Особое внимание в работе уделяется поперечно-волновому взаимодействию электронных потоков с электромагнитными полями. Высокая эффективность преобразования энергии микроволн в энергию постоянного тока можетбыть достигнута при модуляции ленточного потока поперечными электрическими полями.
Теоретические и экспериментальные работы продемонстрировали возможность и перспективность поперечно-волнового взаимодействияприменительно к мощным приборам СВЧ [5].Отметим, что проведенные в работе исследования, связанные с изучением процесса энергообмена ленточного электронного потока с поперечнымиэлектромагнитными полями, позволили обнаружить новый эффект, получивший название пространственной 3D группировки электронного потока.Цели и задачи работыЦелью диссертационной работы явилось изучение динамики поперечныхволн электронного потока в неоднородных электрических и магнитных полях с4аксиальной и плоской симметрией. Для достижения указанной цели необходимо было сформулировать и решить следующие задачи:1. Разработка трехмерной (3D) дискретной математической модели ленточного электронного потока для исследования устойчивости и динамики распространения пучка в неоднородных электрических и магнитных полях.2.
Изучение модового состава и структуры мод высокочастотного электрического поля цилиндрического резонатора с ламельным зазором, изучениединамики взаимодействия электронного пучка с высокочастотным поперечнымполем резонатора.3. Исследование динамики электронных пучков с циклотронным вращением в расширяющихся аксиально- и плоско-симметричных магнитных полях сцелью повышения мощности и эффективности СВЧ устройств с поперечноймодуляцией электронного потока.4. Изучение возможности пространственной группировки электронногопотока с циклотронным вращением в неоднородных магнитных полях безначальной модуляции продольной скорости электронов.Научная новизна1.
Разработана оригинальная трехмерная (3D) дискретная математическаямодель ленточного электронного пучка для исследования устойчивости и динамики распространения пучка в неоднородных электрических и магнитныхполях.2. Впервые изучен модовый состав и структура мод высокочастотногоэлектрического поля цилиндрического резонатора с ламельным зазором, изучены процессы взаимодействия электронного пучка с высокочастотным поперечным полем резонатора.3. Исследована возможность прямого преобразования энергии быстройциклотронной волны ленточного электронного потока в энергию постоянногоэлектрического тока в неоднородных расширяющихся магнитных полях.54.
Впервые изучены вопросы устойчивости и деформации поперечногосечения ленточных электронных пучков с циклотронным вращением в расширяющихся аксиально- и плоско-симметричных магнитных полях.5. Впервые показана возможность пространственной 3D группировкиэлектронного потока с циклотронным вращением в неоднородных магнитныхполях в отсутствие начальной модуляции продольной скорости электронов.Научная и практическая значимость работы1.
Предложенная трехмерная (3D) дискретная модель ленточного электронного потока является перспективной для моделирования и разработки широкого класса микроволновых устройств с ленточными электронными пучками вмиллиметровом и терагерцовом диапазонах.2. Предложена оригинальная конструкция цилиндрического резонатора споперечным электрическим полем, который может быть использован длятранспортировки и модуляции как ленточных, так и цилиндрических потоков.Разработанная модель резонатора также может быть использована для группировки электронных потоков.3. Повышение устойчивости ленточных электронных пучков с циклотронным вращением в расширяющихся аксиально- и плоско-симметричных магнитных полях дает дополнительные перспективы для разработки мощных СВЧустройств с поперечной модуляцией электронного потока.4. Выявленный эффект пространственной 3D группировки электронного потока с циклотронным вращением в неоднородных магнитных полях необходимо учитывать при разработке мощных СВЧ устройств с поперечной модуляцией электронного потока.Основные положения, выносимые на защиту1.
Оптимизация формы и местоположения петли связи в цилиндрическомрезонаторе с ламельным зазором обеспечивает возбуждение основной модывысокочастотного электрического поля с однородным электрическим полем в6канале взаимодействия с электронным пучком. Применение I-образного согласующего узла с треугольной вставкой позволяет достичь максимально возможного коэффициента передачи энергии сигнала в электронный поток.2. В расширяющихся аксиально- и плоско-симметричных магнитных поляхраспространение ленточных электронных потоков становится более стабильным благодаря уменьшению поля пространственного заряда E и фокусирую щего магнитного поля B , т.е.
уменьшению фактора E B , вызывающего деформацию поперечного сечения ленточного пучка.3. Установлена возможность прямого преобразования энергии быстрой циклотронной волны ленточного электронного потока в энергию постоянногоэлектрического тока в неоднородных расширяющихся магнитных полях.4. В случае аксиально-симметричных магнитных полей пространственная3D группировка электронного потока возникает в условиях несоосности междумагнитным полем и осью циклотронного вращения электронов.
В плоско-симметричных магнитных полях в случае, когда ось вращения потока лежит вплоскости симметрии магнитного поля, в потоке возбуждаются только четныегармоники плотности тока.Апробация работы и публикацииОсновные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научных российских и международных конференциях и семинарах: IV и VВсероссийской конференции «Электроника и микроэлектроника СВЧ» (СанктПетербург, 2015, 2016), 10-й Международной конференции по вакуумным источникам энергии (Санкт-Петербург, 2014), 2-м Международном форуме «Возобновляемая энергетика: пути повышения энергетической и экономическойэнергетике» (Москва, 2014), V научно-технической конференции молодых ученых и специалистов «Актуальные вопросы развития систем и средств ВКО»(Москва, 2014), IX Всероссийской научной молодежной школе «Возобновляемые источники энергии» (Москва, 2014), 13-й Международной конференции повакуумной электронике (Монтерей, США, 2012), Научных сессиях НИЯУ7МИФИ (Москва, 2012, 2013, 2014, 2015), Всероссийской школе-семинаре «Физика и применение микроволн» (Звенигород, 2012; Красновидово, 2013, 2014,2015, 2016), Ломоносовских чтениях (Москва, 2016), семинаре кафедры фотоники и физики микроволн Физического факультета МГУ.Достоверность результатов, представленных в диссертационной работе, подтверждается численными и модельными экспериментами, а также соответствием полученных результатов априорной информации, теоретическим расчетам иданным, полученным в работах других авторов.Личный вклад автораВсе представленные в диссертационной работе результаты полученылично автором, либо совместно с соавторами работ, опубликованных по темедиссертации, причем вклад диссертанта был определяющим.ПубликацииПо теме диссертации опубликовано 27 печатных работ в журналах исборниках, в том числе 6 научных статей в реферируемых научных изданиях изсписка ВАК.
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}
