Введение к работе
Актуальность темы
Одним из основных объектов сильноточной электроники являются релятивистские электронные пучки (РЭП), формируемые в вакуумных диодах с "холодными" катодами в условиях ограничения тока собственным объемным зарядом. Применение сильноточных РЭП в релятивистской высокочастотной электронике позволило достичь рекордных (10'+1010 Вт) мощностей генерации микроволнового излучения. Тем не менее, и на сегодняшний день достигнутые уровни эффективности преобразования энергии сильноточных РЭП в излучение, как правило, не превышают 30%. Одна из основных причин этого заключается в сильноточности используемых электронных пучков, означающей существенное влияние полей собственного объемного заряда. Последнее сказывается на всех стадиях использования РЭП в СВЧ-устройстве, причем, с точки зрения транспортировки пучка и его взаимодействия с электромагнитными волнами, оно в большинстве случаев негативно.
В устройствах сильноточной СВЧ-электроники широко применяются вакуумные коаксиальные диоды с магнитной изоляцией (КДМИ) со взрывоэмиссионными катодами кромочного типа. Однако структура РЭП, формируемого в таком диоде, лишь приближенно может быть охарактеризована как трубчатая. В действительности пучок обладает достаточно сложной микроструктурой. Ее знание необходимо при использовании РЭП для генерации микроволнового излучения, в особенности при малой напряженности внешнего магнитного поля, что актуально с точки зрения создания СВЧ-источников, работающих в импульсно-периодическом режиме. В связи с этим, актуальным является детальное исследование формирования сильноточных РЭП в вакуумных коаксиальных диодах со взрывоэмиссионными катодами кромочного типа.
Характерной чертой сильноточных РЭП является их нестационарность. Режим генерации РЭП является принципиально импульсным. Максимальная длительность импульса обычно ограничивается временем перемыкания диодного промежутка разлетающиейся катодной плазмой. Процесс взрывной электронной эмиссии также нестационарен. Наконец, дополнительной причиной нестационарности РЭП является автоколебательное поведение объемного заряда в скрещенных полях, как правило, присутствующих вблизи эмиссионной поверхности катода. Возмущения плотности тока в пучке приводят к появлению у него собственных электромагнитных шумов, влияющих на работу СВЧ-устройств.
В последнее время важным методом исследования в электродинамике и физик плазмы стало нестационарное численное моделирование с использованием метод макрочастиц. На основе этого метода созданы двух- и трехмерные "полносты электромагнитные" компьютерные коды, позволяющие производить расчет реальны электронных устройств с достаточно полным учетом их геометрических и физически параметров. Вместе с тем, метод макрочастиц открывает широчайшие возможности дл решения простых модельных задач. Будучи совместимым с различными упрощенным способами описания электромагнитного поля, он может быть успешно применен н только к решению проблемы формирования электронных пучков, но и к задачам взаимодействии пучков с излучением.
Одной из таких задач является задача генерации микроволнового излучения релятивистской лампе обратной волны (ЛОВ). Этому СВЧ-прибору, как и многи другим, свойственны нестационарные рабочие режимы. Несомненный практически интерес представляют изучение влияния объемного заряда на процессы взаимодействи РЭП с электромагнитным полем. Все это делает актуальным нестационарно моделирование генерации электромагнитного излучения в релятивистской ЛОВ.
Среди устройств релятивистской ВЧ-электроники важное место занимаю приборы, основанные на вынужденном рассеянии электромагнитных волн преобразованием частоты излучения. Одним из них является релятивистский убитрої При использовании сильноточного электронного пучка встает проблема ег транспортировки в электродинамическом тракте. Представляется возможны: частичный или полный отказ от применения для этой цели соленоидальных магнитны полей как невыгодного с энергетической и технологической точки зрения. Требуе исследования вопрос о возможности транспортировки РЭП собственно ондуляторны; полем, которое, как и всякое магнитное поле, должно обладать электроннс фокусирующими свойствами.
В связи с этим целесообразно проведение теоретического исследования динамик сильноточного РЭП в комбинированном (пространственно-периодическо; ондуляторном и продольном однородном) магнитостатическом поле с целы определения возможностей транспортировки пучка и характера движения электронов.
Цель диссертационной работы - экспериментальное, численное и аналитическо исследование влияния собственного объемного заряда сильноточных релятивистски электронных потоков на процессы их формирования, транспортировки во внешни полях и взаимодействия с электромагнитным излучением, а также разработка методо нестационарного численного моделирования динамики сильноточных электронны потоков в задачах сильноточной электроники и релятивистской высокочастотно электроники.
Научная пенностъ и иовнзиа результатов
Результаты экспериментального исследования сильноточных релятивистских электронных пучков в коаксиальных магнитноизолированных диодах расширяют знания о структуре и динамике РЭП. В совокупности с результатами численного моделирования они развивают представления о процессах формирования сильноточных потоков заряженных частиц в режиме полного объемного заряда.
Впервые на основе метода макрочастиц выполнено нестационарное численное моделирование процессов генерации электромагнитного излучения в релятивистской лампе обратной волны в комплексе с коаксиальным электронным диодом. Полученные сведения расширяют и уточняют представления о физических процессах в электронных устройствах с инерционным типом группировки. В численном расчете подтверждено ранее наблюдавшееся в эксперименте явление циклотронного поглощения излучения в ЛОВ. Продемонстрированы аномальное ускорение и торможение части электронов сильноточного РЭП при его инерционной группировке, а также эффект обратного тока в ЛОВ.
В результате исследования динамики РЭП в ондуляторном и однородном магнитостатических полях получены результаты, расширяющие возможности использования сильноточных электронных пучков в релятивистских убитронах. Найдены условия, необходимые для транспортировки сильноточных РЭП ондуляторным полем. Показано явление раскачки колебаний пучка на частотах, кратных половине баунс-частоты, в комбинированном поле в случае относительно малой ондуляторной компоненты.
Разработанная в диссертации методика численного моделирования и компьютерные коды на основе метода макрочастиц расширяют возможности численного эксперимента в области физики потоков заряженных частиц и электродинамики.
Практическая пепяость работы
Полученные в диссертационной работе сведения о структуре и динамике сильноточных РЭП в коаксиальных диодах с магнитной изоляцией используются при конструировании диодов импульсных наносекундных ускорителей электронов прямого действия, а также источников мощного СВЧ излучения на их основе.
Сведения о процессах генерации в релятивистской черенковской лампе обратной волны, являющейся в настоящее время одним из самых эффективных источников мощного СВЧ-излучения на основе сильноточных РЭП, необходимы для практической реализации приборов этого типа.
Сведения о динамике сильноточных РЭП в однородном и пространственно-периодическом магнитостатических полях практически необходимы при
конструировании убитронов - источников мощного высокочастотной электромагнитного излучения.
Осуществленная в диссертации разработка методики численных экспериментов П( динамике сильноточных РЭП и генерации мощного электромагнитного излученш позволяет облегчить и сделать более целенаправленным проведение натурны: экспериментов и конструирование электронных приборов, делает возможным болеї экономичное использование научных и производственных ресурсов.
Результаты работы используются в ИСЭ СО РАН, МРТИ РАН, Университете Нью Мексико и Национальной лаборатории Sandia (США), GEC-Marconi (Великобритания)
Публикация и апробация результатов. Основные материалы по теме диссертациі опубликованы в работах [1-11] и докладывались на V, VII Всесоюзных семинарах п< релятивистской высокочастотной электронике (Новосибирск, 1987, Томск, 1991), в VII, VIII, IX Симпозиумах по сильноточной электронике (Томск, 1988; Свердловск 1990; Пермь - Москва, 1992), а также на 9 Конференции IEEE по импульсной техник (Альбукерке, 1993), XVI Международном симпозиуме SPIE по разряду и злекгрическоі изоляции в вакууме (Москва - Санкт-Петербург, 1994), Международном симпозиуме п< электромагнитным явлениям EUROEM-94 (Бордо, Франция, 1994), Международно] конференции по физике плазмы ICOPS'94 (Сайта Фе, США, 1994), 10 Международно! конференции по мощным пучкам частиц BEAMS-94 (Сан Диего, США, 1994).
Структура я объем диссертации. Диссертация включает введение, четыре главь заключение, три приложения и список литературы из 101 наименования. Объе диссертации составляет 171 страницу, число рисунков - 89.
