Введение к работе
Актуальность исследуемой проблемы.
Среди электронных СВЧ приборов большой мощности в миллиметровом и субмиллиметровом диапазоне длин волн прочное место занимают мазеры на циклотронном резонансе (МЦР). Индуцированное когерентное электромагнитное излучение возникает в них в результате взаимодействия потока электронов-осцилляторов с полями электродинамических структур.
В настоящее время наиболее распространены гиротроны, в меньшей степени гиро-клистроны; гиро-ЛБВ и гиро-приборы со встречной волной находятся в стадии научно-исследовательских разработок.
К актуальным проблемам теории электронных мазеров на современном этапе относится исследование путей увеличения эффективности подобных приборов. При решении этих проблем весьма важным является изучение влияния эффектов пространственного заряда на процессы взаимодействия электронов-осцилляторов с электромагнитными полями. Это связано с тем, что в таких приборах используются потоки большой плотности, и, кроме того, в них возможны различные виды неустойчивостей (в частности, доминируют неустойчивости типа неустойчивости отрицательной массы). К задачам о влиянии пространственного заряда на физические процессы в гироприборах разные авторы обращались неоднократно. При этом почти во всех статьях при анализе той или иной ситуации использовались модели пространственного заряда, отличающиеся друг от друга.
Из полученных результатов выделим следующие.
При исследовании группировки электронов в трубке дрейфа гиро-клистронов было установлено, что за счет действия квазистатических
составляющих поля пространственного заряда происходит ускорение и
некоторое улучшение группировки (А.А.Кураев, В.И.Канавец,
В.А.Черепенин). Было отмечено, что пространственный заряд оказывает стабилизирующее воздействие на разброс фаз ВЧ токов в парциальных пучках (А.П.Кейер).
Влияние пространственного заряда в гиротронах выражается в снижении КПД и уменьшении стартового тока (В.Л.Братман, М.И.Петелин, А.А.Кураев, A.Bondenson, T.M.Antonsen).
Анализ процессов длительного взаимодействия пучка и волны в линейном приближении показал, что пространственный заряд при определенных условиях увеличивает усиление синхронной волны и расширяет полосу частот, в которой это усиление происходит (С.И.Выровой, М.И.Петелин, Г.Н.Раппопорт и др.). В двухкаскадной схеме с волноводным отбирателем и в гиро-ЛБВ с азимутально-симметричным типом волн действие пространственного заряда проявляется в повышении КПД (А.А.Кураев).
При изучении собственных волн пучка указывалось на возможность существования при определенных условиях их нарастания из-за неустойчивости в пучке (эффект отрицательной массы) (В.И.Гайдук, Г.Н.Раппопорт, С.И.Выровой, В.Л.Братман, A.Bondenson, T.M.Antonsen и др.). При этом исследовалось влияние на неустойчивость отрицательной массы разброса ведущих центров осцилляции и скоростей частиц, а также поступательного движения электронов и вихревых полей.
Подчеркнем еще раз, что практически каждая из этих задач решалась в рамках различных моделей пространственного заряда, которые отличались как геометрией пучка, так и методом вычисления поля пространственного заряда. Поэтому представляет интерес рассмотреть в рамках ограниченного числа моделей (более полная для режима слабых
сигналов и упрощенная - для больших) спектр вопросов, связанных с влиянием пространственного заряда на процессы взаимодействия электронов-осцилляторов с электромагнитной волной.
Несмотря на наличие большого числа работ по изучению влияния пространственного заряда оказывается недостаточно полным исследование волн пространственного заряда по сравнению с решением аналогичной задачи для прямолинейных пучков. Кроме того остался в стороне анализ шумовых и параметрических явлений, за исключением работы K.R.Chen, K.R.Chu, где анализ шумовых явлений проведен для модели бесконечно широкого пучка и без расчета спектральных шумовых характеристик. Мало внимания уделялось детальному изучению влияния пространственного заряда на физику процессов длительного взаимодействия электронов-осцилляторов и электромагнитной волны в режиме больших сигналов.
Следует подчеркнуть, что в приведенном кратком обзоре не упомянуты многочисленные работы по расчету сложных конструкций гиро-ЛБВ и гиро-лампы со встречной волной, в которых, как правило, влияние пространственного заряда не учитывается. Не исследуются такие конструкции и в диссертации. Это сделано умышленно, чтобы исследовать эффекты пространственного заряда в "чистом виде", когда эти эффекты не "смазываются" эффектами изменения геометрии и магнитного поля по длине пространства взаимодействия.
Из изложенного выше следует, что тема диссертационной работы актуальна и важна для понимания деталей физики влияния пространственного заряда на процессы взаимодействия электронов-осцилляторов с электромагнитными полями.
Цель работы состоит в том, чтобы в рамках двух моделей пучка, используемых для вычисления поля пространственного заряда, рассмотреть как можно более широкий круг вопросов, связанных с влиянием пространственного заряда на процессы длительного взаимодействия электронов-осцилляторов и электромагнитной волны, в режимах слабых и больших сигналов. При этом акцент делается на физику явлений в рамках элементарных моделей, поэтому расчет выходных характеристик приборов носит иллюстративный характер и не претендует на метод расчета конкретных ламп.
Научная новизна. В диссертационной работе получен ряд новых результатов, в частности,
-показано существование различающихся по фазовым скоростям волн пространственного заряда (ВПЗ), что впервые позволило применить двухволновое приближение в гиро-приборах с длительным взаимодействием и указать на возможность создания параметрического усилителя на быстрой волне пространственного заряда - аналога усилителя Адлера; рассчитаны основные характеристики усилителя в рамках элементарной модели;
-развита аналогия между распространением ВПЗ и волн в активной линии передачи;
-впервые детально изучены эффекты подавления сигнала в элементарных моделях гиро-ЛБВ и в гиро-усилителя со встречной волной с предварительной модуляцией пучка;
-впервые изучены шумовые явления и рассчитан коэффициент шума гиро-ЛБВ;
-установлены общие закономерности и отличительные особенности влияния пространственного заряда на группировку частиц и поведение
мощности в режиме больших сигналов при различных значениях параметра рассинхронизма;
-построены и проанализированы профили поля пространственного заряда и действующего поля, на основе которых дано объяснение эффектов пространственного заряда, исходя из характера воздействия этих полей на различные частицы.
Практическая значимость диссертации связана с тем, что полученные в процессе выполнения работы результаты могут найти применение при оценочных расчетах характеристик гиро-ЛБВ и гиро-ЛОВ, а также могут быть использованы в лекционных курсах по сверхвысокочастотной электронике.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из Введения, двух глав, Заключения и Приложения, всего 142 страницы основного текста (из них 59 страниц иллюстраций) и 7 страниц списка литературы, включающего 58 наименований.
