Диссертация (1150887), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Так, в однойиз ранних работ в области переходного излучения в цилиндрическом волноводе [15]исследуется излучение заряда, пересекающего границу в цилиндрическом волноводе междудвумя однородными диэлектрическими средами. В данной работе, как и во многих других,электромагнитное поле в каждой области волновода было представлено в виде суммы«вынужденного» поля (поле частицы в бесконечном регулярном диэлектрическом волноводе) и«свободного» поля, которое включает переходное излучение.
В [15] отдельно рассматривалсяслучай движения частицы из вакуумной области в среду с частотной дисперсией, характернойдля «холодной» изотропной плазмы. В частности, было показано, что переходное излучение втаком случае в основном направлено вперед по движению частицы. Была описана возможностьиспользования переходного излучения, возникающего при пересечении поперечной границыкоротким пучком частиц, для генерации миллиметровых волн. Детальное описаниеэлектромагнитного поля заряда, влетающего из вакуумной области волновода в плазменнуюобласть, было дано в работе [19].
Показано, к примеру, что при ультрарелятивистскомдвижении частицы в плазменной области волновода возникает эффект возрастания иконцентрации электромагнитного поля вблизи волнового фронта, что может быть использованодля генерации излучения в плазме.Рассматривались также задачи о движении частиц в волноводах с периодическим(слоистым) диэлектрическим заполнением [20, 21].
Например, в работе [21] исследуетсяизлучение заряженной частицы, движущейся в цилиндрическом волноводе, который содержитзаполнение из стопки конечного числа диэлектрических пластин. Было показано, чтопараметры рассматриваемой структуры можно подобрать таким образом, что стопка пластинпроизвольной толщины и с произвольным расстоянием между пластинами будет прозрачнаядля этой определенной собственной моды волновода.В литературе представлены также задачи о генерации излучения зарядом, движущимсяперпендикулярно оси волновода [16, 17]. Интересно, в частности, отметить, что в случае, когдазаряд движется перпендикулярно оси прямоугольного волновода, содержащего тонкуюдиэлектрическую пластину, переходное излучение имеет дипольный характер.Отметим, что в последние десятилетия возникла потребность в разработке новыхметодов генерации электромагнитного излучения в гигагерцовом и, в особенности, втерагерцовом диапазоне [22–24].
Для этого применяются различные методы создания6источников излучения, например, на основе лазерного излучения [25, 26] или на основеизлученияСмита-Парселла[27–30].Однимизмногообещающихметодовявляетсяиспользование в качестве источника излучения пучка заряженных частиц в диэлектрическойволноведущей структуре [31–33].При пересечении зарядом границы диэлектрик-вакуум в вакуумной области круглоговолновода возможна генерация так называемого черенковско-переходного излучения [34].Данный эффект возникает при условии, когда скорость заряда превышает пороговое значение,необходимое для существования черенковского излучения в диэлектрической областиволновода, но меньше, чем скорость, при которой происходит полное внутреннее отражениепадающего поля от границы.
Исследование черенковско-переходного излучения и условий, прикоторых его вклад определяет большую часть электромагнитного поля в вакуумной областиволновода, представляет интерес для развития новых методов генерации электромагнитногоизлучения.Для вывода излучения из волновода в открытое пространство необходимо исследоватьзадачи с волноводом с открытым концом. В частности, в работе [35] проведено приближенноеаналитическое и численное исследование излучения из волновода с открытым концом,имеющего цилиндрический диэлектрический слой и соосный вакуумный канал, вдоль осикоторого движется ультрарелятивистский пучок заряженных частиц.
При этом конец волноводаможет быть срезан под произвольным углом. С помощью использования приближенныхметодов было описано излучение в зоне Фраунгофера. Показано, в частности, что в случаеортогонального среза конца волновода излучение вдоль направления оси волноводаотсутствует. Путем вариации угла среза может задаваться направление максимальногоизлучения. Отметим, что результаты ряда экспериментальных работ демонстрируют генерациютерагерцового излучения при прохождении пучка заряженных частиц через диэлектрическиеволноводы круглого сечения [31, 32].Необходимость в развитии теории излучения частиц в различных средах и структурахсвязана также с перспективным методом кильватерного ускорения частиц [36-46].
Данныйметод ускорения (в наиболее известном варианте) предполагает использование двух пучковчастиц. Один из них (driver) является ультрарелятивистским, содержит большое количествочастиц и, двигаясь в волноведущей структуре, генерирует излучение Вавилова-Черенкова (такназываемое кильватерное поле в волноводе). Второй пучок (witness), содержащий гораздоменьшее число частиц, запускается в структуру с некоторой задержкой и ускоряется в поле7первого пучка до значительно более высоких энергий (при этом его скорость, изначальноблизкая к скорости света, почти не меняется).В настоящее время активно развиваются методы ускорения заряженных частицкильватерными полями, генерируемыми в плазме. Как правило, возбуждение кильватерногополя в плазме происходит либо с помощью мощных коротких лазерных импульсов [37, 47-49],либо с помощью пучка релятивистских частиц [38, 39, 50, 51]. В последнем случае становитсяважной задача о взаимодействии пучка заряженных частиц с плазмой.
Аналитические ичисленные исследования в этой области представлены, например, в работах [52-54]. Так, в [53]рассмотрен случай движения в безграничной плазме модулированного по плотности пучкаэлектронов, который представляет собой последовательность прямоугольных импульсов. Былопоказано, что, если плазма является однородной, то модуляция пучка приводит к увеличениюамплитудыгенерируемойплазменнойволныпосравнениюсослучаемдвижениянемодулированного пучка.
В случае неоднородной плотности плазмы модуляция пучкаприводит к меньшему влиянию неоднородностей на амплитуду поля по сравнению со случаемдвижения немодулированного пучка.Другое направление в методе кильватерного ускорения, наиболее близкое тематикенастоящей диссертации, предполагает использование диэлектрических волноведущих структур.В таком случае существенный интерес представляет анализ процесса формирования волновогополя ведущего поля при его влете в волновод с диэлектрическим слоем или при влете извакуумной области волновода в часть волновода, содержащую диэлектрик.
Отметим, что кнастоящему времени в научной литературе имеется большое количество работ об излучениичастиц в регулярных бесконечных волноводах с частичным диэлектрическим заполнением,однако практически отсутствуют работы, в которых учитывались бы поперечные границыраздела в таких задачах.Наиболее изучены на сегодняшний момент два типа регулярных волноводов, имеющихслой диэлектрика, – это волновод с прямоугольным сечением [55-59] и волновод с круглымсечением [40, 41, 60-62]. В работах [55, 56, 63] рассматривается задача о генерациикильватерного поля в прямоугольном диэлектрическом волноводе. Волновод содержитцентральный вакуумный канал, параллельно оси которого движется точечный заряд или пучокэлектронов конечного размера. В данных работах описан метод, позволяющий получитьстрогие аналитические выражения для электромагнитного поля источника с помощьюразложения поля по собственным ортогональным функциям поперечного оператора задачи.8Данный метод позволяет получить явный вид выражений для поля черенковского излучения иотклоняющих поперечных сил [63].
Было показано, что результаты, полученные на основетеоретического решения задачи, хорошо согласуются с результатами эксперимента [64].Хотя прямоугольные волноведущие структуры с диэлектриками проще в изготовлении,для кильватерного ускорения предпочтительнее использование цилиндрических волноводов[61, 62]. Исследование электромагнитного поля как точечного заряда, так и последовательностисгустков зарядов, движущихся внутри бесконечного регулярного круглого волновода,однородно заполненного диэлектриком, было представлено в монографии [60]. Были полученывыражения для компонент поля излучения Вавилова-Черенкова и квазикулоновского поляисточника в случае диэлектрического заполнения, обладающего частотной дисперсией.Процесс генерации кильватерного поля в цилиндрическом волноводе, состоящем из слояизотропного диэлектрика и центрального вакуумного канала, рассмотрен в работе [40].
Вкачестве источника использовался точечный заряд и гауссово распределенный пучок частиц.Движение источника происходило параллельно оси волновода. Были получены аналитическиевыражения для компонент электромагнитного поля. Также было представлено сравнениетеоретических результатов с экспериментом [41], которое демонстрирует хорошее совпадениерезультатов.Отметим некоторые работы по излучению в полуограниченных волноведущихструктурах с диэлектриками. В работе [65] рассматривается случай полубесконечногоцилиндрического волновода с металлическими стенками и закороченным металлическимконцом,диэлектрическоезаполнениеволноводапредполагаетсяизотропныминедиспергирующим. Были получены точные выражения для электромагнитного поля тонкогокольцевого пучка частиц, описано кильватерное поле источника и переходное излучение. Сточки зрения использования данной структуры в методе кильватерного ускорения здесьсущественным становится наличие заднего фронта кильватерного поля, что накладываетограничение на момент введения ускоряемого пучка в структуру.Отметим, что волноведущие структуры также представляют интерес для задачопределения характеристик пучков частиц.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
