Диссертация (1103402), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Параметры экспериментальныхвеличин были следующие: энергия электронного пучка 480 кэВ, ток 0.9 кА.Пучок инжектировался в цилиндрический волновод, заполненный плазмой сконцентрацией n p 2 1014 см-3 , вся система находилась под действием магнитного поля до 3 Тл. В ходе эксперимента были определены условия, прикоторых имеет место генерация излучения, были измерены параметры СВЧизлучения.
В результате удалось достигнуть к.п.д. 10%. Кроме этого в работебыло проведено сравнение полученных экспериментальных данных с теорией плазменного СЧВ-генератора, которая была разработана в более раннихработах [47, 48].В работе [47] подробно описана теория плазменных СВЧ-усилителей игенераторов, основанных на черенковском возбуждении низкочастотнойплазменной волны Е-типа. Получена система укороченных уравнений сильноточного плазменного ускорителя, которая дополняется граничными условиями, определен к.п.д.
сильноточного плазменного ускорителя. Помимоусилителя с моноэнергетическим пучком был рассмотрен сильноточныйплазменный усилитель с немоноэнергетическим пучком электронов, для которого была выведена система укороченных уравнений совместно с граничными условиями и к.п.д. Для этого усилителя были изучены нестационарныепроцессы в плазменно-пучковом взаимодействии, задача о генерации в линейном приближении, определен стартовый ток начала генерации, амплитударезонансной волны, к.п.д. генератора. Как для генератора, так и для усилителя был проведен анализ эффективности усиления или генерации СВЧ8излучения в зависимости от тока пучка. Работе [47] предшествовали теоретические работы [48, 49]. В работе [48] была изложена теория возбуждениягофрированных плазменных резонаторов релятивистскими электроннымипучками.
В основу теории была положена модель гофрированного металлического волновода, заполненного редкой бесстолкновительной плазмой, пронизываемого трубчатым электронным релятивистским пучком и помещенного в сильное магнитное поле.
Для этой модели были выведены: дисперсионное уравнение для спектров электромагнитных волн, условия возбуждения,частоты, коэффициенты усиления прямой и обратной волны. Найдены стартовые токи возбуждения резонатора. Рассмотрен релятивистский генератор ирассчитан его к.п.д.Работа [49] была посвящена возбуждению электромагнитных волн вплазменном волноводе трубчатым электронным пучком.
В [49] помимоплазменного мазера на циклотронном резонансе рассмотрели плазменныйчеренковский генератор электромагнитного излучения. Для генератора былиполучены дисперсионное уравнение для спектра частот возбуждаемых колебаний, продольная структура поля, стартовый ток пучка.В 1983 году была опубликована теоретическая работа [50] описывающая генерацию электромагнитных волн в волноводе радиуса R , заполненномтонкой трубчатой плазмой.
В эту систему инжектируется тонкий трубчатыйпучок, сама же система помещалась в сильное продольное магнитное поле.Для рассматриваемой системы были выписаны: дисперсионное уравнениедля спектров частот пучково-плазменного взаимодействия, стартовый токпучка, к.п.д., обнаружено, что в системе существует кабельная плазменнаяволна, которая имеет максимальную скорость относительно остальных плазменных волн.Таким образом, теоретические работы [31, 47-51] и последовавшие заними экспериментальные [42-44], положили начало масштабному исследованию плазменных СВЧ-усилителей и генераторов.В конце 1980-х годов выходят статьи [52, 53], посвященные релятиви9стской плазменной СВЧ-электронике, ее перспективам и дальнейшему развитию.
В них отмечены основные преимущества плазменной СВЧ-электроникиперед вакуумной:1) Возможность использования в электродинамических системах сплазменным заполнением больших токов электронных пучков, превосходящих предельные вакуумные токи электродинамических вакуумных систем сопоставимых размеров и геометрий [29, 31, 54,55];2) Легкая перестраиваемость частоты генерируемого в плазме электромагнитного излучения путем изменения плотности плазмы. Известно, что в вакуумных СВЧ-приборах частота излучения зависитот размеров резонатора и изменить ее можно только изменив размеррезонатора. В плазменных СВЧ-приборах частота зависит от плотности плазмы, что позволяет производить быструю перестройкучастоты излучения.3) Широкополосность излучателей, в которых происходит черенковское возбуждение низкочастотной электромагнитной плазменнойволны.
В работах [23, 26] описаны созданные нерелятивистскиеСВЧ-усилители и генераторы, которым нет аналогов по эффективности среди вакуумных.В результате совместной работы экспериментальных и теоретическихгрупп в области плазменной релятивистской СВЧ-электроники были достигнуто следующие основные результаты:1) Разработана линейная и нелинейная теория плазменного СВЧгенератора [47-49, 56-61];2) Успешно экспериментально реализован плазменный СВЧ-генератор[42-44, 62-67];3) Разработана линейная и нелинейная теория плазменного СВЧусилителя, описаны рамановские (узкополосные) и томсоновские(широкополосные) усилители [68-77];104) Экспериментально реализован плазменный СВЧ-усилитель [78-85,67];5) Разработана теория пучково-плазменных неустойчивостей [54, 86 88];6) Сформулирована теория электромагнитных волн в плазменных волноводах [89-91].7) Написан универсальный электромагнитный код КАРАТ для моделирования плазменных процессов, СВЧ-генераторов [92, 93].В ходе совместных исследований двух групп ученых опубликованобольшое количество статей и обзоров, в частности [94-97], посвященныхплазменной релятивистской СВЧ-электронике и ее развитию.
Также вышликниги [98, 99], объединившие в себя все достижения по данной тематике натот период времени.Отметим, что изучение релятивистских плазменных СВЧ-приборовимеет практическое применение. Например, такие устройства могут использоваться в таких областях как плазмохимия и радиолокация.Исследования по данным направлениям ведутся и в настоящее время[67, 85, 100-105].Актуальность темы исследованияПреимущества плазменной СВЧ-электроники перед вакуумной, сформулированные в конце 1980-х годов, являются актуальными до сих пор. Онисостоят в возможности использования в электродинамических системах сплазменным заполнением больших токов электронных пучков, легкой перестраиваемости частоты генерируемого в плазме излучения и широкополосности излучателей, в которых происходит черенковское возбуждение низкочастотной электромагнитной плазменной волны.Преимущество плазменной СВЧ-электроники, заключающееся в возможности использования больших токов электронных пучков, на данныймомент не реализовано.
Использовать большие токи в экспериментальных11установках, основанных на черенковском возбуждении плазменной волнынецелесообразно, так как, начиная с некоторого значения тока пучка, эффективность черенковского излучения плазменной волны уменьшается и, вследствие этого мощность излучения при увеличении тока не растет. Таким образом, повысить мощность излучения можно путем повышения предельных вакуумных токов.
Использование в плазменных СВЧ-приборах цилиндрических коаксиальных волноводов приводит к увеличению предельных токовпучка, что должно привести к увеличению мощности генерируемого излучения. Кроме этого, поверхностные волны коаксиальных плазменных волноводов обладают рядом интересных особенностей (например, нулевая частотаотсечки высокочастотной волны), что позволяет надеяться на реализациюеще более широкополосных плазменных излучателей. Широкополосностьчеренковских плазменных излучателей обусловлена тем, что излучение происходит от нулевой частоты и до частоты коллективного черенковского резонанса.
И наконец, применение коаксиальных волноводов в плазменныхСВЧ-приборах позволит улучшить согласование рабочего объема СВЧизлучателя с устройством для вывода излучения.Цели и задачи диссертационной работыЦелью настоящей диссертационной работы является теоретическое исследование электродинамических свойств коаксиальных волноводов с плазменным заполнением при различной величине внешнего магнитного поля иразработка теории плазменных релятивистских черенковских излучателей наоснове волноводов с двухсвязным поперечным сечением. Основными задачами диссертационной работы являются:- теоретическое исследование электродинамических свойств коаксиальных волноводов с плазменным заполнением при произвольной величине магнитного поля;- разработка теории плазменных релятивистских черенковских излуча12телей (усилителей) с коаксиальной электродинамической системой;- разработка теории пучково-плазменного взаимодействия в коаксиальной электродинамической системе при произвольной величине внешнего магнитного поля.Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:1.
Впервые проведено подробное исследование поверхностных плазменных волн в коаксиальных волноводах с трубчатым плазменным заполнением при произвольной величине внешнего продольного магнитного поля.Показано, что частота отсечки высокочастотной поверхностной плазменнойволны в коаксиальном волноводе равна нулю, а дисперсия низкочастотнойповерхностной плазменной волны в длинноволновой области не зависит отвеличины внешнего магнитного поля.2. Разработана теория релятивистских плазменных черенковских излучателей на основе коаксиального плазменного волновода.3. Разработана теория электромагнитного взаимодействия тонких трубчатых пучка и плазмы в коаксиальном волноводе при произвольной величинемагнитного поля.Практическая значимостьРезультаты, полученные в ходе теоретических исследований, проведенных в диссертационной работе, могут быть использованы в релятивистской плазменной СВЧ-электронике при разработке и совершенствовании новых источников электромагнитного СВЧ-излучения, в которых вместо волноводов с односвязным поперечным сечением используются коаксиальныеволноводы.
Результаты диссертационной работы по спектрам поверхностныхволн в коаксиальных волноводах могут быть использованы при дальнейшемразвитии теории волн в диспергирующих пространственно-ограниченныхсредах. Теория пучково-плазменного взаимодействия в коаксиальных плазменных волноводах вносит новый вклад в общую теорию электромагнитных13взаимодействий электронных пучков с плазмой.ПубликацииПо материалам диссертации опубликовано семь печатных работ [106112].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
