Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Релятивистские Электронные пучки (РЭП) привлекают интерес исследователей из-за огромных и далеко не исчерпанных возможностей их использования в электронике и энергетике больших мощностей. Спектр применений РЭП очень широк. Большие перспективы связаны с генерацией" мощного излучения днапазонз СВЧ и более коротких длин волн.
На начальном этапе исследовании основное внимание уделялось отработке и созданию систем питания релятивистских установок, а также Методов формирования РЭП с большим уровнем переносимой ими энергии. Скоро стало очевидным, что дальнейшее продвижение на пути использования РЭП 'сдерживается недостатком сведений о происходящих в них коллективных процессах. Существующий опыт работы с нерелявгаистскнми электронными системами и устройствами говорил о том, что электронные пучки высокой плотности, к которым относятся И РЭП, чувствительны к малым возмущениям н неустойчивы. Можно было ожидать, что развитие колебаний и волн в объемном заряде будет приватні, к возникновению паразитных сигналов и шумов, способно влиять на удержание, а также на энергетический спектр электронов и в РЭП. .В связи с этим стало ясно, что для отыскания путей создания сильноточных . релятивистских электронных потоков высокого качества необходима информация о проеіранственно-временньїх характеристиках,-закономерностях и механизмах происходящих в них коллективных явлений. Существенная специфика процессов в РЭП, систем их формирования и транспортировки не позволяет автоматически распространять на них опыт исследования нсрелятивнстскнх электронных потоков. Поэтому предпринимались попытки получения информации о коллективных процессах в РЭП. Однако, трудности как теоретического, так и экспериментального рассмотрения этого чрезвычайно сложного объекта исследований не позволили до сих пор нзкопнть достаточного объема данных, не позволили создать непротиворечивую и достаточно полную модель происходящих в них коллективных процессов. Для построения такой модели, да и для практической деятельности, необходимо систематическое экспериментальное исследование пространственно-временных характерне гик объёмного заряда РЭП. что и определяет АКТУАЛЬНОСТЬ" данной' диссертационной работы. Работа посвящена изучению коллективных явлений в пространственном заряде наименее изученных ранее релятивистских электронных пучков микросекундной длительности с характеристиками, типичными для мощных СВЧ устройств, исследованию влияния развивающихся коллективных процессов на . формирование и транспортировку таких РЭП.
ЦЕЛИ РАБОТЫ состоял)! в создании комплекса слабовозмушающих методов, имеющих высокие показатели пространственного и временного разрешения, н. предназначенных для диагностики коллективных процессов в
сильноточных электронных потоках высокой плотности: в определении пространственно-временных характеристик объемного -заряда Р:*П и исследовании влияния на них неоднородных магнитных к электрических полей; в определении на основе полученных данных возможных моделей развития коллективных процессов и выявлении способов управления ими.
Исследования выполнены на специальносозданной сильноточной релятивистской экспериментальной установке СЭР-1 (Сильноточная Экспериментальная Релятивистская) кафедры физической электроники Санкт-Петербургского государственного технического университета.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА диссертационной работы состоит в следующем:
1. Впервые создана комплексная методика исследования
пространственно-временных характеристик объёмного заряда РЭП,
обеспечивающая получение информации об основных параметрах этой
сложной самосогласованной системы: о структуре РЗП. о мгновенных
характеристиках колебаний пространственного: заряда в, широкой полосе
частот ( 100 МГц- 5000 МГц ) и на разных участках канала
транспортировки, а также о воздействии неоднородньїх полей на
коллективные процессы в РЗП.
2. Получены неизвестные ранее данные о характеристиках колебаний
пространственного заряда PJI1 микросекундной длительности С частотами
от 100 МГц до 2000 МГц, об их пространственно-временных изменениях, а
также о связи колебательных процессов с геометрией участка ускорения
электронов и с материалом взрывоэмиссионного катода.
3. Выявлена возможность эффективного управления колебаниями
пространственного заряда РіГІ с помощью .регулируемых локальных
неоднородностей магнитного поля в канале .-транспортировки пучка.
Установлена связь развивающихся коллективных процессов с удержанием и
транспортировкой РЗП.
4. Предложены возможные модели развития обнаруженных
коллективных процессов в РЛ1 с учетом группы электронов с большими
поперечными скоростями ( Vj V'; ), эмнпированных с внешней боковой
поверхности плазменного катода вблизи входз а канал транспортировки.
Ш^!Ш1ЧГ;ОКАЯ ШШШХТЬ работы определяется тем, что:
1. Разработанная комплексная мегодика исследования коллективных
процессов в P.)f І може г быть использована для изучения пространственно-
временной динамики объемною заряда широкою класса сильноірчньїх
электронных пучков,удерживаемых магнитным полем.
2. Полученные новые данные о пространственно-временных
характеристиках коллективных процессов в РН! микросекундной
длительности, об их связи с іеомеїриеіі учлегка ускорения элекмронов и с
материалом взрывоэмиссионного каюда позволяю і существенно уточить
модель развития коллективных явлении .и объёмном заряде сильноточных
пучков, формируемых в КДМП.
3. Выявленные способы эффективного управления колебаниями пространственного заряда РЭП с помощью регулируемых локальных неоднородности магнитного поля в канале его транспортировки могут быть использованы для "повышения качества" РЭП.
ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ: . '
1. Созданная слабовоэмущаюшая методика исследований обеспечивает
возможность получения комплекса данных, необходимых для определения
закономерностей развития коллективных процессов в мнкросекундных
РЭП. Она дает информацию о структуре РЭП в коллекторной области с
временным разрешением ; 100 м и пространственным разрешением ~1 мм.
а также о "мгновенных" характеристиках колебаний пространственного
заряда в широкой полосе частот примерно до 3 ГГц с пространственным
разрешением »3см.
2. Колебания пространственного заряда исследованных РЭП имеют
многочастотиый спектр. Наиболее интенсивные колебания нарастают во
времени и с удалением от катода и достигают значений -10% от статических
полей в зазоре между пучком и стенкой канала транспортировки. Частоты
колебаний максимальной амплитуды лежат, обычно, в диапазоне ЗООМТц-
1000 МГц.
3. Один Из основных механизмов возникновения колебаний
конвективной природы может быть связан с развитием двухпотоковой
неустойчивости, обусловленной взаимодействием потока электронов в
ореоле УЭП с большими поперечными (малыми продольными) скоростями
(Vi V'nj, змиттированных с внешней боковой поверхности плазменного
катода вблизи входа в канал транспортировки, и потока электронов с торца
плазменного эмиттера, имеющих максимальные продольные скорости.
Колебания пространственного заряда, наряду с этим, могут быть связаны с
развитием диокотронной неустойчивости в потоке электронов с боковой
поверхности плазменного катода, приводящей к вращению азимутальных
неоднородностен пространственного заряда РЭП.
,. 4. . .Локальные, неоднородности магнитного поля пробочной конфигурации, отражая к катоду часть электронов с большими поперечными (малыми продольными! скоростями, существенно влияют на колебания пространственного заряда РЭП и могут быть использованы как -для подавления колебаний, так и для их усиления. Максимальный эффект подавления в исследованной системе достигается при создании такой неоднородности вблизи катода. Локальное повышение магнитного поля в канале транспортировки РЭП вдали от катода ускоряет рост амплитуды регистрируемых сигналов благодаря раскачке интенсивных колебаний в своеобразной ловушке между катодом и пробкой магнитного поля.
Результаты, изложенные в диссертационной работе, регулярно
обсуждались на научных семинарах сектора "Сильноточной и СВ.Ч
электроники" кафедры физической электроники СПбГТУ. докладывались на семинарах секции "Физическая электроника" при Санкт-Петербургском Доме ученых: Санкт-Петербург. 1988, 1990. 1995: на VIII Всесоюзной конференции по Физике низкотемпературной плазмы; Минск, 1991: на IV Международной школе "Стохастические колебания в радиофизике и электронике" (Хаос-94): Саратов, 1994; на Российской научно-технической конференции "Инновационные наукоемкие технологии для России": Санкт-Петербург, 1995; на 10-й зимней школе-семинаре по электронике СВЧ и радиофизике: Саратов, 1996; на 11-й Международной конференции "Ведпм-96": Прага, 1996.
ПУБЛИКАЦИИ: По материалам диссертации опубликовано 12 работ, список которых приведен в конце автореферата.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из Введения, трех глав. Заключения и Приложения. Общий объём диссертации составляет 115 страниц, в ней имеется 35 рисунков, 4 таблицы, список литературы включает 137 наименований.
