Введение к работе
Актуальность исследования. В настоящее время в радиолокации, радионавигации, системах связи, промышленном нагреве и в различных бытовых целях широко используются приборы СВЧ. Особое распространение получили приборы с динамическим управлением - гиротро-ны, приборы М- и О-типа. Приборы СВЧ со скрещенными полями приобрели популярность из-за высокого коэффициента полезного действия (КПД), малого отношения масса/мощность при генерации и усилении сигналов высокой мощности. Однако они не свободны от ряда недостатков, основным из которых является достаточно высоких уровень шума на выходе, что не дает возможности получать «чистый» сигнал на выходе. Хотя этот класс приборов исследуется с середины прошлого века, но причина широкополосного шума до сих пор остается непонятной и в значительной степени препятствует улучшению их характеристик. Такого рода особенность зачастую приводит к необходимости очистки сигнала, что, в свою очередь, требует применения специальных устройств и, соответственно, стоимости и габаритам оборудования. Особенно высокий уровень шума фиксируется в мощных приборах, что негативно сказывается на широте области их применения.
Высокий уровень широкополосного шума в гигагерцовой области может быть не только недостатком, но и достоинством, например, при создании мощных источников шумов. Однако для этого необходимо разобраться с его причинами. Множество исследователей констатируют наличие высокого уровня широкополосного шума в приборах М-типа, однако отсутствует единое мнение о его причинах. Как правило, они связывают причины наличия шума с различного рода внешними воздействиями на поток, по большей части устранимыми. По сути, все объяснение касаются особенностей системы формирования электронного потока или системы, создающей электромагнитное поле. Например, неустойчивость внешнего для потока электромагнитного поля различного рода может привести к таким последствиям, однако ее можно в значительной степени устранить на практике за счет стабилизации поля, что, однако, не приводит к сколько-нибудь значимому уменьшению высокого уровня широкополосного шума в приборах М-типа. Исследование причин высокого уровня широкополосного шума является одним из важнейших направлений развития современной вакуумной СВЧ электроники.
Степень разработанности темы исследования. На текущий момент накоплен широкий спектр экспериментальных данных, подтверждающий наличие высокого уровня широкополосного шума в СВЧ-приборах М-типа, особенно в мощных. Еще в 1950-ых годах известные в данной области ученые, такие как Р. Варнеке, Дж. Уиннери, X. Альфвен, Е. Острем, Т. Ван Дузер, О. Делёр, С. Окамурв, В.М. Лопухин, В.С Стальмахов и другие, констатировали наличие высокого уровня широкополосного шума в приборах СВЧ М-типа и высказывали предположения о причинах его появления, однако до сих пор причины данного явления оставались не ясны. Большинство современных исследований проводится в отношении мощных приборов М-типа с большим количеством разнообразных воздействий на электронных поток, что только усложняет шумовой спектр и затрудняет выяснять причины его появления. Но они направлены не на изучение причин того или иного поведения потока, а на непосредственное повышение характеристик приборов, что без понимания причин того или иного поведения потока и, как следствие, высокого уровня широкополосного шума, решить крайне проблематично.
Наличие высокого уровня шумов в выходном сигнале может быть следствием множества неустойчивостей, которые можно разделить на классы, такие как неустойчивости системы формирования электронного пучка, неустойчивости внешних воздействий на поток и неустойчивости внутренних взаимных воздействий частиц потока. В современных приборах СВЧ по умолчанию используется множество внешних воздействий, начиная от особенностей системы эмиссии и фокусировки потока, коллекторного узла, наличия устройств ввода и вывода высокочастотной энергии, и заканчивая сложной геометрией системы со специфической динамикой формирования и управления внешним электромагнитным полем. Такого рода внешние воздействия способствуют усложнению шумовой картины, в которой и без них еще не разобрались. Однако, на них можно непосредственно влиять и, соответственно, управлять ими, а неустойчи-
вости, обусловленные взаимным воздействием частиц потока, недостаточно исследованы и требуют тщательного изучения.
В данной работе предлагается вернуться к истокам шумовой проблемы и разобраться в причинах высокого уровня широкополосного шума в нерелятивистских усилителях и генераторах М-типа при отсутствии полезного сигнала. Понимание причин появления широкополосного шума в потоках, транспортируемых в скрещенных полях, позволит разобраться с причинами наличия шумов в сложных современных приборах.
Целью исследования является тщательное изучение особенностей динамики электронных потоков методами точного численного эксперимента и выяснение причин наличия высокого уровня широкополосного шума в мощных приборах СВЧ М-типа.
Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи.
Спроектировать и создать высокопроизводительную аппаратно-программную систему моделирования динамики электронных потоков, использующую высокоточные методы и эффективно работающую на базе гибридного гетерогенного суперкомпьютера.
Провести ряд исследований физических особенностей динамики протяженных электронных потоков, транспортируемых в скрещенных электрическом и магнитном полях при отсутствии полезного сигнала, в зависимости от величины объемной плотности пространственного заряда, скорости, геометрических размеров потока.
Исследовать причины наличия высокого уровня широкополосного шума в СВЧ приборах М-типа, особенно мощных.
Научная новизна работы заключается в следующем.
В протяженных электронных потоках М-типа впервые обнаружено образование обособленных сгустков электронов даже при отсутствии полезного сигнала, которые определяют поведение потока и его свойства.
Теоретически и численно обоснованы причины образования данных сгустков.
Обнаружена неустранимая неустойчивость сил пространственного заряда для СВЧ-приборов М-типа, которая приводит к высокому уровню широкополосного шума даже при отсутствии полезного сигнала. Факт наличия широкополосного шума уже имел экспериментальную основу, но впервые обоснован теоретически и численно.
При движении плотных потоков обнаружено появление «отрицательного» тока, обусловленного перемещением ряда частиц навстречу направления скорости дрейфа потока.
Разработан метод пространственной оптимизации взаимодействий, позволяющий изучать динамику большого количества объектов с высокой точностью за приемлемое время.
Научная и практическая ценность.
Изучена тонкая структура динамики электронного потока в скрещенных полях. Обнаружено нарастающее с расстоянием формирование электронных сгустков при отсутствии полезного сигнала, свойственное всем СВЧ-приборам М-типа. Данное явление изучено при вариации основных управляющих характеристик устройства.
Установлены причины наличия высокого уровня широкополосного шума имеющего место во всех, особенно в мощных, приборах СВЧ М-типа. Установлено, что наличие естественной неустойчивости сил пространственного заряда способствует формированию электронных сгустков, приводящих, в свою очередь, к наличию высокого уровня широкополосного шума в приборах М-типа.
Результаты исследований позволяют предложить путь создания новых достаточно широкополосных генераторов шума М-типа при наличии соответствующей электродинамической системы, а изменением скорости электронов, влетающих в пространство взаимодействия можно смещать частотный максимум шума.
Созданная высокопроизводительная аппаратно-программная система позволяет проводить необходимые высокоточные исследования моделирования электронных потоков и других систем, представляемых в виде совокупности большого количества отдельных элементов, в кратчайшие сроки.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались различные методы электродинамики, математической физики, вычислительной математики, программирования, в том числе специальные: методы численного решения обыкновенных дифференциальных уравнений, методы, позволяющие сократить число объектов расчета, методы учета взаимодействия между объектами, методы получения спектральных характеристик, различные методы организации высокопроизводительных вычислений, методы организации надежных и отказоустойчивых вычислений, методы оптимизации.
Достоверность результатов исследования обусловлена достаточным количеством результатов, коррелирующих с экспериментальными данными, согласованием с результатами численных экспериментов при малых плотности пространственного заряда и протяженности потока, а также строгой аналитической аргументацией используемых методов и полученных теоретических положений.
Основные положения, выносимые на защиту:
Система моделирования динамики электронных потоков, позволяющая при использовании метода пространственной оптимизации взаимодействий учитывать высокую степенью дальнодействия сил пространственного заряда при взаимодействии большого количества частиц.
Наличие процесса образования обособленных сгустков электронов при отсутствии полезного сигнала в протяженных электронных потоках, транспортируемых в скрещенных электрическом и магнитном полях, которые определяют поведение потока и его свойства, и обоснование причин их появления.
Обоснование, что неустойчивость сил пространственного заряда приводит к высокому уровню широкополосного шума даже при отсутствии полезного сигнала в приборах М-типа, и является неустранимой.
Доказательство, что главный максимум амплитуды тока в амплитудно-частотной характеристике потока соответствует именно основной частоте прохождения сгустков через соответствующее сечение.
Возникновение обратного движения электронов, то есть образование «отрицательного» тока в потоках с большой величиной объемной плотности пространственного заряда.
Апробация результатов. Основные положения диссертационной работы и ее отдельные результаты докладывались и обсуждались на смотрах-конкурсах научных, конструкторских и технологических работ студентов ВолгГТУ (в 2009, 2010, 2011 годах), на Международном молодежном научном форуме-олимпиаде (Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010 год), на X Международной конференции «Высокопроизводительные параллельные вычисления на кластерных системах» (Пермь, ПГТУ, 2010 год), на VII и VIII Всероссийских межвузовских конференциях молодых ученых (Санкт-Петербург, СПбГУ ИТМО, 2010 и 2011 годы), на XIV, XV, XVI, XVII Региональных конференциях молодых исследователей Волгоградской области (в 2009, 2010, 2011, 2012 годах), на 23-й Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» - КрыМиКо'2013 (Украина, Севастополь, 2013 год).
Публикации. Основные результаты диссертации изложены в 34 публикациях, из них 7 работ в изданиях, включённых в перечень ВАК. Кроме того, получено 5 свидетельств об официальной регистрации программы для ЭВМ.
Соответствие паспорту научной специальности. Основная область исследования соответствует паспорту специальности 01.04.04 - «Физическая электроника», а именно пункту 3 -«Вакуумная электроника, включая методы генерирования потоков заряженных частиц, электронные и ионные оптические системы».
Личный вклад автора. Все основные результаты, на которых базируется диссертация, получены лично автором, а также самостоятельно выполнено исследование в соответствии с задачами, поставленными научным руководителем.
На основе анализа наиболее известных систем моделирования электронных потоков, исследования методов для высокоточного физического представления СВЧ приборов в виде модели и методов программирования для повышения точности и скорости получаемых результатов,
спроектирована и реализована высокопроизводительная аппаратно-программная система точного моделирования динамики электронных потоков, работающая на базе гибридного гетерогенного суперкомпьютера [3-13,16-22,25-30,33]. Проведены исследования поведения протяженных электронных потоков и показано, что существует неустойчивость сил пространственного заряда в потоках, которая приводит к высокому уровню широкополосного шума при отсутствии полезного сигнала [1,2,4,10,11,14,15,23,24,31-34].
Постановка задач, обсуждение результатов и формулировка результирующих выводов проводились совместно с научным руководителем профессором Шейным А.Г.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 разделов, заключения, списка использованных источников и приложений, включает 168 страниц, 64 рисунка и 3 таблицы.
