Автореферат (1102876), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Перечень основных публикаций приведен в отдельном списке работ автора в конце автореферата.Структура и объем диссертацииДиссертация включает введение, четыре главы, заключение и список литературы из 106 наименований. Объем диссертации – 109 страниц, число рисунков – 68, число таблиц – 13.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении содержится обоснование актуальности темы исследований,сформулированы предмет исследования и цели диссертационной работы, при8водится краткое содержание работы, отмечается научная новизна и практическая значимость проведенных исследований, формулируются основные положения, выносимые на защиту, приводятся сведения об апробации результатовработы.
Также во введении приведен краткий обзор работ, посвященных ленточным электронным потокам и поперечно-волновым устройствам СВЧ.Первая глава диссертации носит обзорный характер. В ней содержатсянеобходимые для последующего изложения сведения из теории вакуумнойэлектроники СВЧ.Во-первых, рассматриваются поперечные волны электронного потока.При поперечной модуляции электронного потока в пучке возникают четырепоперечных циркулярно-поляризованных волны. При этом посредством резонатора типа Каччиа в условиях циклотронного резонанса в пучке можно возбудить только одну из четырех волн, получившую название быстрой циклотронной волны (БЦВ) [5]. Об оригинальной конструкции такого резонатора и возбуждении БЦВ электронного потока рассказано во второй главе диссертации.Во-вторых, рассматриваются вопросы устойчивости ленточного электронного потока в однородных и периодических магнитных полях.
При транспортировке ленточного электронного потока вдоль магнитных полей подобной конфигурации в электронном потоке под воздействием фактора E B возникает диокотронная неустойчивость [6]. При этом края пучка в поперечном сечении закручиваются, сам электронный поток поворачивается вокруг оси распространения и может распасться на отдельные фрагменты. Избежать данного виданеустойчивости можно применением электронных потоков высокой мощностиили низкой плотности по току, увеличением значения напряженности сопровождающего пучок магнитного поля, использованием волноводов с близкорасположенными к пучку проводящими стенками, вдоль которых движется поток.Также можно использовать периодическую конфигурацию магнитного поля [7].Тем не менее, на практике периодические магнитные поля менее эффективны,чем однородные, так как пучок в периодическом магнитном поле подверженпробоям и сильно восприимчив к механическим смещениям.9Далее излагается механизм группировки электронов, применяемых вклассических устройствах СВЧ, например, в клистронах [8].
В электронном потоке, промодулированном по скорости на определенной частоте, в некоторомего сечении будут возникать сгущения тока. Процесс образования сгустковимеет периодический характер. Следовательно, если на каком-либо расстоянииот модулятора расположить колебательный контур, то электронный поток, воздействуя на него периодически сгустками тока высокой амплитуды, долженподдерживать в нем колебания.При разработке устройств СВЧ, использующих данный механизм группирования электронов, требуется учитывать фундаментальные ограничения,связанные с нарастающим действием сил пространственного заряда при образовании более плотных электронных сгустков.
Возможно, снять эти ограничения позволит использование нового принципа группирования без предварительной модуляции продольной скорости электронов. Этому принципу посвящена четвертая глава диссертации.В конце первой главы рассматриваются методы моделирования динамикиэлектронных потоков – метод конечных интегралов (Finite IntegrationTechnique) [9] и метод «частица в ячейке» (Particle-In-Cell Method) [10]. Рассмотрен также оригинальный метод крупных частиц, созданный для моделирования ленточных электронных потоков в неоднородных аксиально- и плоскосимметричных полях, который подробно описан в третьей главе диссертации.Вторая глава диссертации посвящена моделированию объемного резонатора с поперечным электрическим полем, которое участвует в процессе энергообмена с электронным потоком, инжектированным в полость резонатора.Конструкция резонатора является оригинальной.В полости резонатора (Рис.
1) имеется два цилиндрических отверстия иодно прямоугольное. Верхние грани прямоугольного отверстия образуют ламели, в узком и протяженном зазоре между которыми возбуждается поперечноеполе микроволнового сигнала, вводимого посредством петли связи.10Рис.1. Цилиндрический резонатор в продольном и поперечном сечениях.Электронный пучок инжектируется в резонатор через круглое отверстие вторце, проходит через зазор между ламелями и выходит из резонатора через отверстие в противоположном торце.
При взаимодействии высокочастотного поля с электронным пучком подводимая энергия микроволн преобразуется в поперечное циклотронное вращение пучка при условии циклотронного резонанса.Показано, что оптимального согласования низкоомной нагрузки микроволнового сигнала и высокоомной нагрузки электронного потока удается добиться с помощью треугольного согласующего элемента, который обеспечивает максимальный КПД преобразования в сравнении с прямоугольным узлом ицилиндрическим узлом в виде тонкого стержня (Таблица 1).Таблица 1Вид согласующего узлаS11S12КПДЦилиндрический0,4120,9070,822Прямоугольный0,0930,9860,972Треугольный0,0490,9950,990S11 и S12 – коэффициенты отражения и передачи, КПД преобразованияэнергии СВЧ в энергию вращения потока вычисляется как квадрат S12 .11Рис. 2.
Структура основной моды резонатора на частоте 2,481 ГГц.Впервые был изучен модовый состав объемного резонатора типа Каччиа.Было показано, что электрическое поле основной (первой) моды сосредоточеномежду пластинами имеет необходимую однородную поперечную структуру(Рис. 2), обеспечивающую высокоэффективное преобразование энергии СВЧ вэнергию циклотронного вращения электронного потока.Рис. 3. Структуры высших мод резонатора вдоль оси вращения пучка:а) вторая мода на частоте 4,502 ГГц, б) третья мода на частоте 6,250 ГГц,в) четвертая мода на частоте 7,139 ГГц, г) пятая мода на частоте 7,992 ГГц.12Высшие моды резонатора имеют существенно неоднородную структуру(Рис.
3). При такой структуре полей невозможно организовать высокоэффективный энергообмен микроволнового сигнала с БЦВ электронного потока.В конце второй главы излагаются численные результаты моделированиядинамики взаимодействия цилиндрического и ленточного электронных потоковс поперечным электрическим полем цилиндрического резонатора методом «частица в ячейке» в условиях циклотронного резонанса. Установлено, что эффективность энергообмена поля с БЦВ как цилиндрического, так и ленточногоэлектронного потока может достигать величин более 95% без учета потерь вметаллических стенках резонатора.
Причем при близких плотностях тока обоихпотоков ленточный пучок реализует мощность микроволнового сигнала, значительно превышающую значение мощности в случае цилиндрического пучка.В третьей главе диссертации проводится трехмерное моделирование динамики ленточного электронного потока в неоднородных аксиально- и плоскосимметричных магнитных полях. Численные расчеты проводятся в рамках оригинальной трехмерной многопериодной модели ленточного электронного потока, реализованной в программной среде Delphi.В начале главы описывается модель ленточного электронного потока методом крупных частиц, причем рассматривается не весь пучок, а лишь егофрагмент, состоящий из нечетного числа периодов инжекции пучка Ni .
Приэтом параметры взаимодействия определяются по “средней” группе инжектированных электронов, принадлежащих N i 1 2 периоду. Все остальные частицы являются буферными.Крупная частица в 3D модели ленточного пучка представляет собой бесконечную последовательность частиц шарообразной формы с равномерно распределенной плотностью пространственного заряда, имеющих всегда одинаковые поперечные координаты x и y и расположенных на одной прямой, параллельной оси z , на расстоянии Ni Li , где Li – длина цуга инжектированных за13период частиц (рис.
4). Частица, принадлежащая «среднему» периоду инжекции, является базовой по отношению к остальным субчастицам. Все субчастицы, входящие в одну крупную частицу, двигаются синхронно.Рис. 4. Фрагмент крупной частицы.Далее описана программа, в которой реализована многопериодная модельленточного электронного потока, после чего осуществляется переход к результатам моделирования динамики ленточного пучка в магнитных полях.На первом этапе моделирования была рассмотрена транспортировка электронного потока во внешнем однородном магнитном поле B0 в отсутствиециклотронного вращения. Установлено, что в однородном магнитном поле ленточный электронный пучок дает возможность реализовать устойчивую формуэлектронного потока и малый разброс продольных скоростей при увеличениизначений первеанса пучка до p = 5 мкА/В3/2. При увеличении первеанса дозначений p = 10-20 мкА/В3/2 возможно возникновение диокотронной неустойчивости с последующей дестабилизацией ленточного пучка.После этого проводилось численное моделирование динамики ленточного электронного потока в неоднородных аксиально- и плоско-симметричноммагнитных полях при заданном циклотронном радиусе пучка.14Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
