Диссертация (1102877), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Рассмотрению данного эффекта выделена одна из глав диссертации.Цель диссертационной работы – изучение динамики поперечных волн электронногопотока в неоднородных электрических и магнитных полях с аксиальной и плоской симметрией.В рамках указанной цели решались следующие задачи:1. Разработка трехмерной (3D) дискретной математической модели ленточного электронного пучка для исследования устойчивости и динамики распространения пучка в неоднородных электрических и магнитных полях.2.
Анализ модового состава и структуры мод высокочастотного электрического поля цилиндрического резонатора с ламельным зазором, изучение динамики взаимодействияэлектронного пучка с высокочастотным поперечным полем резонатора.3. Исследование динамики электронных пучков с циклотронным вращением в расширяющихся аксиально- и плоско-симметричных магнитных полях с целью повышения мощности и эффективности СВЧ устройств с поперечной модуляцией электронного потока.4. Изучение возможности пространственной группировки электронного потока с циклотронным вращением в неоднородных магнитных полях без начальной модуляции продольной скорости электронов.5Научная новизна1.Разработана оригинальная трехмерная (3D) дискретная математическая модель ленточного электронного пучка для исследования устойчивости и динамики распространенияпучка в неоднородных электрических и магнитных полях.2.Впервые изучен модовый состав и структура мод высокочастотного электрического поляцилиндрического резонатора с ламельным зазором, изучены процессы взаимодействияэлектронного пучка с высокочастотным поперечным полем резонатора.3.Исследована возможность прямого преобразования энергии быстрой циклотронной волны ленточного электронного потока в энергию постоянного электрического тока в неоднородных расширяющихся магнитных полях.4.Впервые изучены вопросы устойчивости и деформации поперечного сечения ленточныхэлектронных пучков с циклотронным вращением в расширяющихся аксиально- и плоско-симметричных магнитных полях.5.Впервые показана возможность пространственной 3D группировки электронного потокас циклотронным вращением в неоднородных магнитных полях в отсутствие начальноймодуляции продольной скорости электронов.Достоверность результатов, представленных в диссертационной работе, подтверждаетсячисленными и модельными экспериментами, а также соответствием полученных результатоваприорной информации, теоретическим расчетам и данным, полученным в работах других авторов.Практическая значимость1.
Предложенная трехмерная (3D) дискретная модель ленточного электронного потока является перспективной для моделирования и разработки широкого класса микроволновыхустройств с ленточными электронными пучками в миллиметровом и терагерцовом диапазонах.2. Предложена оригинальная конструкция цилиндрического резонатора с поперечнымэлектрическим полем, который может быть использован для транспортировки и модуляции как ленточных, так и цилиндрических потоков. Разработанная модель резонаторатакже может быть использована для группировки электронных потоков.3. Повышение устойчивости ленточных электронных пучков с циклотронным вращением врасширяющихся аксиально- и плоско-симметричных магнитных полях дает дополнительные перспективы для разработки мощных СВЧ устройств с поперечной модуляциейэлектронного потока.64.
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.Положения, выносимые на защиту1. Оптимизация формы петли связи в цилиндрическом резонаторе с ламельным зазоромобеспечивает возбуждение основной моды высокочастотного электрического поляс однородным электрическим полем в канале взаимодействия с электронным пучком.Применение согласующего узла треугольной формы позволяет достичь максимальновозможного коэффициента передачи энергии сигнала в электронный поток.2. В расширяющихся аксиально-симметричных магнитных полях распространение ленточных электронных потоков становится более стабильным благодаря уменьшению поляпространственного заряда E и фокусирующего 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 постоянного электрического тока в неоднородных расширяющихся магнитных полях.4. В случае аксиально-симметричных магнитных полей пространственная 3D группировкаэлектронного потока возникает в условиях несоосности между магнитным полем и осьюциклотронного вращения электронов. В плоско-симметричных магнитных полях в случае, когда ось вращения потока лежит в плоскости симметрии магнитного поля, в потокевозбуждаются только четные гармоники плотности тока.Апробация работы и публикацииОсновные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научныхроссийских и международных конференциях и семинарах: IV и V Всероссийской конференции«Электроника и микроэлектроника СВЧ» (Санкт-Петербург, 2015, 2016), 10-й Международнойконференции по вакуумным источникам энергии (Санкт-Петербург, 2014), 2-м Международномфоруме «Возобновляемая энергетика: пути повышения энергетической и экономической энергетике» (Москва, 2014), V научно-технической конференции молодых ученых и специалистов«Актуальные вопросы развития систем и средств ВКО» (Москва, 2014), IX Всероссийскойнаучной молодежной школе «Возобновляемые источники энергии» (Москва, 2014), 13-й Международной конференции по вакуумной электронике (Монтерей, США, 2012), на Научных сессиях НИЯУ МИФИ (Москва, 2012, 2013, 2014, 2015), Всероссийской школе-семинаре «Физикаи применение микроволн» (Звенигород, 2012; Красновидово, 2013, 2014, 2015, 2016), Ломоно7совских чтениях (Москва, 2016), семинаре кафедры фотоники и физики микроволн Физического факультета МГУ.
По теме диссертации опубликовано 27 работ, в том числе 6 научных статейв реферируемых изданиях из списка ВАК [80-10].Данная работа выполнена при финансовой поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований (РФФИ) в рамках выполнения работ по научному проекту№ 16-32-00826 мол_а.Личный вклад автораВсе представленные в диссертационной работе результаты получены лично автором, либо при его непосредственном участии.Структура и объем диссертацииДиссертация включает введение, четыре главы, заключение и список литературы из 106наименований.
Объем диссертации – 109 страниц, число рисунков – 68, число таблиц – 13.8Глава 1ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКОВ В МИКРОВОЛНОВЫХ УСТРОЙСТВАХ§1.1. ВведениеВ вакуумной электронике уже на протяжении многих десятилетий ключевыми вопросами остаются повышение мощности и эффективности устройств СВЧ [1-4]. Дальнейшее увеличение входной мощности устройств, использующих электронные пучки круглого сечения,ограничено уровнем тока при заданном на катоде напряжении. Также возможно использованиемноголучевых микроволновых устройств [5-9] с целью повышения выходной мощности, однако и здесь существует ряд вопросов, описанных выше во введении к диссертационной работе.В связи с практической необходимостью увеличения уровня входной мощностиустройств СВЧ в современной вакуумной электронике в последнее десятилетие получило новоеразвитие направление, связанное с применением ленточных электронных пучков в микроволновых усилителях и преобразователях волн [27-32].
Теория ленточных потоков была развита в50-60-е годы прошлого века, но ввиду невозможности создания точной аналитической моделиленточных потоков их применение ограничивалось лишь устройствами малой мощности. Сразвитием численных методов моделирования и увеличением производительности компьютеров появилась возможность полноценного анализа ленточных потоков. Этим и объясняется повысившийся интерес к тематике ленточных электронных потоков.Микроволновые устройства с ленточными электронными потоками могут обладать очевидными преимуществами по сравнению с СВЧ-устройствами с цилиндрическими электронными пучками.
Уровень входной мощности электровакуумных устройств СВЧ с ленточнымипучками может быть существенно увеличен за счет ширины пучка, которая может превосходить его толщину в несколько десятков раз. Таким образом, при плотности тока, близкой илиравной плотности тока электронного пучка круглого сечения можно получить существенныйприрост суммарного тока и, как следствие, входной и выходной мощности устройства.В традиционных конструкциях СВЧ приборов выходная мощность уменьшается пропорционально квадрату рабочей частоты, в то время как в приборе с ленточным пучком при достаточно большом отношении сторон пучка этот параметр изменяется линейно [36].
Преимущества подобных приборов делают их перспективными источниками СВЧ энергии сверхвысокого уровня.Широкое применение ленточный электронный пучок может найти в вакуумной микроэлектронике. В работах [32, 37-42] высказывается возможность использования ленточных пото9ков в компактных устройствах СВЧ в терагерцовом и субтерагерцовом диапазонах. Применение ленточных потоков существенно снижает массогабаритные характеристики подобныхустройств.Для повышения эффективности вакуумных устройств СВЧ предлагается использоватьпоперечные волны электронного потока, возбуждаемых посредством резонаторов типа Каччиа[35, 43, 44]. Оригинальная модель подобного резонатора предложена в одной из глав диссертации.
Отличительной особенностью подобного резонатора является линейная передача энергиимикроволн в электронный пучок в однородном магнитном поле, а также слабое воздействие силпространственного заряда на электронный поток ввиду отсутствия в нем периодических сгущений. Тем не менее, при определенных конфигурациях магнитного поля при помощи резонаторов типа Каччиа, сообщающих электронному потоку вращательное движение, можно зафиксировать эффект пространственной 3D группировки электронного потока.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
