Введение к работе
.Актуальность работы. Одной из центральных проблем релятивистской высокочастотной электроники является разработка сверхмощных генераторов когерентного электромагнитного излучения на основе сильноточных релятивистских электронных пучков. Такие генераторы могут найти применение в ряде областей науки и техники: СВЧ воздействие на твердое тело, накачка мощных газовых лазеров, нагрев плазмы для осуществления управляемого термоядерного синтеза, ускорение заряженных частиц и т.п. Наиболее мощными из существующих в настоящее время источников когерентного излучения являются релятивистские многоволновые генераторы, в частности, многоволновые черенковские и дифракционные генераторы, с помощью которых в сантиметровом и миллиметровом диапазонах длин волн получены
мощности излучения, достигающие 10 Вт. В многоволновых генераторах электронный пучок взаимодействует не с одной, как обычно, а сразу с несколькими модами сверхраэмерной периодической электродинамической системы. При этом фиксация частоты генератора обеспечивается с помощью резонансной обратной связи. Физические процессы в ыноговолновых устройствах чрезвычайно многообразны, а их анализ требует разработки вычислительных моделей, позволяющих исследовать излучение сильноточных релятивистских пучков в открытых нерегулярных пространственно развитых электродинамических системах. Для этого вычислительная модель должна коректно учитывать взаимодействие электронного потока со всем пространственным спектром колебаний и волн
сверхразмерной электродинамической системы и обратную связь обусловленную отражением волн от открытых концов системы Hi частотах, близких к границам полос прозрачности. В связи \ существенным влиянием формы граничной поверхности элементе» периодичности электродинамической структуры на взаимодействиі электронного пучка с, высокочастотным полем вычислительна: модель должна позволять исследовать широкий класс геометрий і резонансном диапазоне размеров элементов С период структуры Ы - длина волны). В настоящее время достаточно полны: вычислительных моделей, указанного класса, не существует.
Изложенное выше определяет основную цель диссертации: исследование с помощью вычислительных моделей резонансны: эффектов, возникающих при ыноговолновом дифракционном ' і черенковском взаимодействии сильноточных релятивистски: электронных пучков с высокочастотными полями пространственнс развитых открытых нерегулярных электродинамических систем.
Основные результаты диссертации заключаются в следующем:
-
На основе неполного метода Галеркина и процедуры полуобращения в граничном условии разработаны вычислительные модели, пригодные для исследования распространения электромагнитные .волн и генерации излучения прямолинейными электронными потокамі в нерегулярных открытых сверхразмерных электродинамически? системах.
-
Разработана вычислительная модель, позволяюіцая исследовать в линейном самосогласованом приближении процессы генерацш когерентного многоволнового излучения в релятивистских дифракционных и черенковских генераторах с сильноточными электронным!-
- К -
учками.
:. Исследованы особенности пространственной структуры и центральные характеристики колебаний и волн в открытых ространственно развитых периодических волноводах и езояаторах. Показано, что спектр колебаний открытого іезонатора при наличии в нем периодических нерегулярностей :ущественно сгущается, причем резонансные частоты колебаний іасполагаются вблизи границ полос прозрачности мод «Бивалентного периодического волновода.
L Выявлены резонансные эффекты при излучении электронных іучков в пространственно развитых электродинамических системах. Іоказано, что при релятивистских энергиях заряженных частиц шаграмыа направленности излучения имеет приосевой характер, двойственный излучению медленных и, в частности, поверхностных эолн.
5. Исследовано влияние геометрических размеров электродинамической системы на пространственную структуру колебаний и установлены условия, при которых когерентное излучение прямолинейного релятивистского электронного потока становится много-аолнозым.
5. Показано, что на работу релятивистского генератора поверхностной волны оказывает существенное влияние нефиксированная продольная структура колебания типа стоячей поверхностной волны Сгт-вида), проявляюїдаяся в ее зависимости от параметров электронного потока. Установлено, что мощность Си эффективность) генератора поверхностной волны увеличивается с ростом энергии электронов.
- б -
-
С помощью разработанных вычислительных: моделей исследовє новый тип релятивистских устройств - генератор на 2п-виде колє баний типа стоячей медленной волны и проведено его сравнение релятивистским генератором дифракционного излучения на О-вид колебаний. Показано, что генератор на 2тт-виде, позволяет пр том же периоде электродинамической системы как у генератор поверхностной волны получать когерентное излучение на боле короткой, примерно в 2 раза, длине волны. Результаты численног моделирования генератора на 2я-виде в основном соответствую экспериментальным данным и показывают, что такие устройств, перспективны для получения когерентного излучения гигаваттногі уровня мощности в коротковолновой части сантиметрового и і миллиметровом диапазоне.
-
Исследованы режимы взаимодействия релятивистского электронного потока с гибридными колебаниями пространственно развито; электродинамической системы и показано, что их можно использовать для создания источников мощного коротковолнового излучения.
-
Показано, что эффективным электродинамическим способа, селекции колебаний является выбор таких размеров и формі элементов периодичности электродинамической системы, которые обеспечивают совмещение резонансной частоты выбранногс колебания с резонансом в ячейках периодической системы.
10. Показано, что наиболее благоприятным с точки зрения получе
ния сверхмощного СВЧ излучения режимом работы односекционногс
генератора является рекиы когерентного многоволнового излучение
сильноточного электронного пучка, при котором наряду с возбуж-
гнием основной моды - поверхностной С гс-вид) либо медленной їя-внд) стоячей волны, имеющей нефиксированную структуру ПОЛЯ, результате индуцированного релеевского рассеяния возбуждаются другие моды электродинамической системы, имеющие низкую збротность и неувеличивакщие вследствие этого напряженность згсокоиастотного поля. Режимы, сопровождающиеся дифракционным злученнем электронного потока, менее благоприятны для генерали сверхмощного излучения, т.к. в этом случае интенсивно воз-уждантся компоненты пространственного спектра излучения, не янхронные с электронным потоком.
L. С помощью вычислительных моделей исследованы процессы в ЗЧГ и показано, что возможны два режима работы устройства: пинноволновый - вблизи коротковолновой границы низшей полосы розрачности, и коротковолновый - внутри полосы непрозрачности. эзультаты теоретического исследования в основном соответствуют сспериментальным данным. Излучение электронного потока в МВЧГ «еет мнсговолновый характер, что позволяет получать с помощью ЗЧГ колебания гигаваттного уровня мощности при умеренной апряженности высокочастотного поля вблизи электродинамической дстемы.
2. Исследованы автоколлимационые резонансы, свойственные
эриодическим системам эшелеттного типа, использование которых
озволяет осуществлять как электродинамический, так и
пектронный методы фиксации частоты колебаний,
кспериментальная реализация многоволнового релятивистского енератора миллиметрового диапазона длин волн с асимметричной ормой элементов периодичности подтвердила практическую
- в -
возможность создания мощных источников когерентного излучения с прямолинейными электронными потоками на длинах волн существен»: менылих периода, используемой электродинамической системы.
Научная новизна результатов, полученных в работе, состоит в разработке и применении строгих методов расчета электромагнитных полей к анализу физических процессов в многоволневьи черзнкоаоких и дифракционных генераторах, а также получению г линейном приближении количественной и качественной картинь ыногозолнобого взаимодействия в них электронного пучка и поля.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
-
Разработанные методы расчета электромагнитных полей могут быть приманены для решения широкого класса электродинамически) задач, в том числе относящихся к теории дифракции.
-
Результаты вычислительных экспериментов могут быть использованы для создания мощных источников когерентного излучнения Не релятивистских электронных потоках.
Обоснованность и достоверность полученных результатоЕ подтверждается сравнением с работами других авторов, а такає сопоставлением с результатами экспериментов.