Диссертация (1103402)

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

Текст из файла

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТИМЕНИ М.В. ЛОМОНОСОВАФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТНа правах рукописиЯрославцева Екатерина АндреевнаКОАКСИАЛЬНЫЕ ВОЛНОВОДЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕВ ПЛАЗМЕННОЙ РЕЛЯТИВИСТСКОЙСВЧ-ЭЛЕКТРОНИКЕ01.04.08 – Физика плазмыДиссертация на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукНаучный руководительКузелев Михаил Викторович,Доктор ф.-м. наук, профессорМосква 2017ОглавлениеВведение и обзор литературы………………………………………………….5Глава I. Коаксиальный плазменный волновод в сильном внешнем магнитном поле……………………………………………………………………..16§1.1.

Дисперсионное уравнение для спектров частот цилиндрического коаксиального волновода с полностью замагниченной трубчатой плазмой.Структура электромагнитного поля……………………................................16§1.2. Спектры частот коаксиального плазменного волновода в длинноволновой и коротковолновой областях…………………...…………………......21§1.3. Результаты численного исследования спектров частот и структур полей коаксиального плазменного волновода в сильном магнитном поле….24§1.4. Предел бесконечно тонкой трубчатой плазмы………….…………….33§1.5. Волны плотности заряда полностью замагниченного релятивистскогоэлектронного пучка в цилиндрическом коаксиальном волноводе………...37§1.6. Предельный вакуумный ток релятивистского электронного пучка вкоаксиальном пространстве дрейфа………………………………...……….41Глава II. Коаксиальный плазменный волновод в отсутствие внешнегомагнитного поля……….……………………………………………………….47§2.1.

Дисперсионное уравнение для спектров частот коаксиального волновода с трубчатым плазменным заполнением. Структура электромагнитногополя…………………………………………………………………………….47§2.2. Результаты численного исследования спектров частот коаксиальногоплазменного волновода в отсутствие внешнего магнитного поля………...50§2.3. Длинноволновое приближение……………………..………………….54§2.4. Использование метода эффективных граничных условий в теории поверхностных волн тонкой трубчатой плазмы в коаксиальном волноводе вотсутствие внешнего магнитного поля……………………………...………572Глава III. Коаксиальный плазменный волновод в конечном внешнеммагнитном поле……………………………………………………………..…..63§3.1.

Дисперсионное уравнение и структура электромагнитного поля длякоаксиального волновода с однородным плазменным заполнением……...63§3.2. Некоторые особенности спектров частот электромагнитных волн коаксиального волновода с однородным плазменным заполнением. Кабельные волны коаксиального плазменного волновода. Длинноволновое приближение………………………………………………………………………66§3.3.

Использование метода эффективных граничных условий в теории поверхностных волн тонкой трубчатой плазмы в коаксиальном волноводе вконечном внешнем магнитном поле……………..…………………………..72Глава IV. Теория плазменных релятивистских черенковских излучателей с коаксиальной электродинамической системой в сильном внешнеммагнитном поле………..………………………………………..………………77§4.1. Дисперсионное уравнение пучково-плазменного взаимодействия вкоаксиальном волноводе…………………………………...…………………77§4.2. Усиление электромагнитных волн в коаксиальном волноводе с тонкими трубчатыми плазмой и электронным пучком.

Классификация механизмов усиления………………………………………………...…………….83§4.3. Результаты численного исследования дисперсионного уравненияпучково-плазменного взаимодействия в коаксиальном волноводе…...…..85§4.4. Условия самовозбуждения и к.п.д. плазменного СВЧ-излучателя с коаксиальным резонатором………..……………………………………………95Глава V. Теория пучково-плазменного взаимодействия в коаксиальныхволноводах в конечном внешнем магнитном поле……………………..….98§5.1. Использование метода эффективных граничных условий для получения дисперсионного уравнения пучково-плазменного взаимодействия вконечном внешнем магнитном поле……………………..…………………..983§5.2. Вывод дисперсионных уравнений пучково-плазменного взаимодействия в конечном внешнем магнитном поле…………………………………101§5.3.

Классификация механизмов неустойчивостей в конечном внешнеммагнитном поле……………...……………………………………………….104Выводы………………………...…………………………………………….108Список литературы……………………..……………………………….…1104Введение и обзор литературыРаздел физики плазмы под названием плазменная сверхвысокочастотная электроника (СВЧ-электроника) появился после выхода совместных работ Ахиезера А.И. и Файнберга Я.Б., Бомма Д. (Bohm D.) и Гросса Э. (GrossE.P.), в которых теоретически предсказано явление пучковой неустойчивостив плазме [1, 2].

Явление пучковой неустойчивости состоит в черенковскомвозбуждении электронным пучком волн в плазме [1, 2]. С помощью решенийсоответствующих электродинамических уравнений было получено дисперсионное уравнение, описывающее данное явление [3-11].Вслед за теоретическим открытием явления пучковой неустойчивости вплазме в конце 1950-х и начале 1960-х годов последовали первые эксперименты, демонстрирующие высокоэффективное взаимодействие пучка иплазмы [12-14]. Проведенные эксперименты подтвердили теорию о том, чтопри прохождении пучка через плазму генерируются колебания высокой частоты. В экспериментах впервые были созданы плазменные источники СВЧизлучения, что и является основной целью изучения пучковых неустойчивостей в плазме.Успешные эксперименты с электронным пучком повлияли на дальнейшее развитие теории по этому направлению. В конце 1950-х годов в светвышло большое количество статей [15-18] и полноценных монографий [1922].

Работы [15-17] посвящены рассмотрению распространения электромагнитной волны в плазменном стержне в однородном постоянном магнитномполе, рассмотрены механизмы пучковых неустойчивостей. Изучение пучковых неустойчивостей напрямую связано с созданием плазменных источниковСВЧ-излучения – плазменных СВЧ-генераторов и усилителей. Например,практическому применению явления пучково-плазменной неустойчивости вплазменных СВЧ-генераторах и усилителях посвящена вышедшая в 1965 году монография [23]. Помимо представленных последних исследований в работе были отмечены проблемы нерелятивистской СВЧ-электроники.

Главная5проблема заключалась в том, что нерелятивистская СВЧ-электроника не могла конкурировать с вакуумной СВЧ-электроникой и с ее приборами.Основным минусом проведенных экспериментов была малая эффективность излучения. В 1970-х годах с появлением сильноточных релятивистских электронных пучков произошел сдвиг в дальнейшем развитии плазменной СВЧ-электроники [24, 25]. Выяснилось, что проблема малой эффективности излучения заключалась в нерелятивизме электронного пучка, а не вплохой эффективности взаимодействия пучка с плазмой.Обзор нерелятивистского периода плазменной СВЧ-электроники представлен в работе [26]. Развитие теории и эксперимента релятивистских сильноточных электронных пучков описано в работах [27-29].

Отметим, что здесьи далее речь идет о создании плазменных СВЧ-источников излучения, основанных на неустойчивостях, обусловленных вынужденным эффектом Черенкова [30]. В работах [31, 32] впервые введены понятия предельных вакуумных токов (таких как ток Богданкевич-Рухадзе, ток Пирса), сформулированыпринципы сильноточной релятивистской СВЧ-электроники и предложеноиспользовать релятивистские пучки для генерации электромагнитного излучения.Тот факт, что плазма имеет спектр собственных колебаний и волн, послужил стимулом к переходу от громоздких резонаторов и замедляющихсистем вакуумных СВЧ-приборов к гладким системам – волноводам [33-35].Традиционно годом рождения релятивистской СВЧ-электроники считается 1972 год. В этом году впервые успешно прошел эксперимент по генерации СВЧ-излучения.

Эксперимент был проведен двумя институтами: ИОФАН (ФИАН Физический институт им. М.П. Лебедева АН СССР) и ИПФАН(НИРФИ – Горьковский радиофизический институт) [36]. В результате эксперимента удалось экспериментально воплотить черенковский генератор типа ЛОВ (прибор релятивистской вакуумной СВЧ-электроники) на релятивистском электронном пучке (ток пучка I b  8 кА, энергия пучка E  670 кэВ).Эксперименты на данном генераторе проводились и в дальнейшем [37], и6было достигнуто увеличение к.п.д.

(коэффициент полезного действия) генератора с   15% до   30% . При этом улучшение параметров было достигнуто путем увеличения величины магнитного поля.В дальнейшем исследования черенковского генератора происходилипараллельно в Харьковском физико-техническом и США [38-40]. Периодразвития СВЧ-электроники вплоть до 1980-х годов описан в работе [41]. Вэтой работе описаны эксперименты в области СВЧ-электроники имеющиеместо на тот период времени, дано подробное описание линейной и нелинейной теории плазменных генераторов на основе модели холодной электроннойплазмы и моноэнергетического электронного пучка.

Получены стартовые токи пучка для возбуждения генератора, частоты возбуждаемых волн в случаелинейной теории, определено к.п.д. генератора в случае нелинейной теориигенератора.Последующее исследование черенковских генераторов вакуумного типа происходило и после описанных экспериментов вплоть до создания в 1982году первого плазменного СЧВ-генератора на вынужденном черенковскомизлучении релятивистского электронного пучка в плазменном волноводе[42-44].В приборах вакуумной СВЧ-электроники используется заполнениеволновода плазмой, что позволяет скомпенсировать пространственный зарядпучка. Заполнение волновода плазмой используется и в плазменных приборах СВЧ-электроники, однако в этом случае плазма играет роль замедляющей структуры.

К приборам вакуумной СВЧ-электроники относятся приборыЛБВ и ЛОВ, в них используется черенковский механизм неустойчивости [45,46].Плазменный релятивистский СВЧ-генератор (ПРГ) представляет собойметаллический волновод радиуса R , заполненный трубчатой плазмой, наконце волновода помещается излучающий рупор, под которым подразумевается коаксиальный вакуумный волновод с внешним радиусом R металличе7ского плазменного волновода и внутренним r0  rp ( rp - радиус плазменнойтрубки). На входе волновода имеется катод ускорителя и металлическая сетка, которая непрозрачна для излучения, но прозрачна для электронов пучка.В волновод инжектируется электронный пучок, а сама система помещается всильное внешнее магнитное поле.Первый плазменный релятивистский СВЧ-генератор был создан в ИОФАНе на основе ускорителя Терек-2 [42-44].

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.

Список файлов диссертации