Введение к работе
Актуальность темы
Данная работа посвящена исследованию роли внешнего магнитного потя в птазмешіьіх релятивистских СВЧ-усилителях и СВЧ-генераторах методами численного модетироваїпія
Явление плазменно-пучковой не\ стогічивости бьгло отіфьіто теоретически в середине прошлого века [1,2], а затем экспериментально в работах [3,4] Суть этого явления состоит в том, что пучок электронов, распространяясь в плазменном волноводе, возбуждает медленную плазменную попутную волну на основе черепковского механизма В 60-70-х годах прошлого века в разтичных лабораториях мира проводитись эксперименты по взаимодействию нерелятивистских электронных пучков с плазмой с целью создания СВЧ-усшшгетеи и СВЧ-генераторов Основные результаты в СССР были получены в ХФТИ [5 6] и ИРЭ АН [7] Принципы релятивистской птазмепной СВЧ-электроники были сформу тированы в работе [8], а первый эксперимент был проведен в ФИАНе [9] Так как на сами механизмы черенковского излучения величина внешнего магнитного потя не влияет, то большинство теоретических исследований проводилось при большом внешнем магнитном поле В экспериментальной плазменной релятивистской СВЧ-электронике при сравнительно малых магнитных полях ленгмюровская частота электронов плазмы {аїр) может быть сопоставима с электронной циклотронной частотой (а>н) [10] Для черенковского механизма это не существенно, но в таком магнитном поле проявляются и другие резонансные механизмы взаимодействия пучка и плазмы — аномальный эффект Доплера для попутной волны и нормальный эффект Доплера для встречной волны [11,12,13,14] Все аналитические критеріш возникновения пучковой неустойчивости и ее параметры определены непосредственно лишь для однородной, безграничной вдоль на-
правления движения электронов системы Для решения задачи в ограниченной системе необходимо специальное рассмотрение Ограниченность системы требует учета законов отражения волн от торца плазменного волновода Учет импульсного характера реальных процессов обеспечивается нестационарными методами решения Следовательно, необходимо использование методов численного моделирования для более адекватного отражения экспериментальной ситуации Численное моделирование плазменно-пучковой системы в условиях конечного внешнего магнитного потя представляет интерес не только для реализации конкретных экспериментов, но и для исследования определенных физических эффектов, которые обнаруживаются при резонансных значениях внешнего магнитного потя
Цель диссертационной работы состоя та
в исстедовании методами численного моделирования физических процессов, проходящих в плаз\іеппо-п}чковой системе плазменных релятивистских СВЧ-приборов с учетом конечного внешнего магнитного поля,
в разработке рекомендаций по конструктивным особенностям и условиям проведения реального эксперимента
Научная повпзпа работы
Впервые проведено исследование плазменных ретятивист-ских СВЧ-усилителя и СВЧ-генератора в конечном внешнем магнитном поле методами численного моделирования
Показано, что непропускание колебаний встречной (по отношению к релятивистскому лучку) волны в условиях нормального эффекта Доплера определяет подавление потожителыюй обратной связи
при работе релятивистских плазменных СВЧ-генератора и СВЧ-уситителя
Проведен расчет плазменного релятивистского СВЧ-у ситителя, в котором подавление положитетьной обратной связи осуще-ствтяется за счет нормального эффекта Доплера Результаты моделирования подтверждаются результатами соответству ющего физического эксперимента
Впервые проведено исследование ширины циклотронной потосы подавления генерации в плазменном ретятивистском СВЧ-генераюре
Наущая и практическая ценность работы
В данной работе проведено численное модепироваїше отражающее особенности проведения конкретных экспериментов по реализации плазмешю-пу чковых СВЧ-усилителей и генераторов Определены зависимости выходной мощности приборов от величины внешнего магнитного поля для различных значений плотности плазмы, тока пучка, геометрии системы Показана возможность построения плазменною релятивистского СВЧ-усилитетя на принципе подавления положительной обратной связи при нормальном эффекте Доплера без использования СВЧ-поглотителя Проведено исследование ширины циклотронной полосы подавления генерации в плазменном ретятивистском СВЧ-генераторе в зависимости от величины внешнего магнитного поля для разтичных параметров системы Так как в настоящее время существуют роботы только по аналитическим оценкам эффектов Доплера для релягивистскігх плазменно-пучковых систем, то выводы моделирования полезны при анализе данных экспериментов и для оптимизации конст-рлкщш приборов Резутьтаты работы используются в лаборатории плазменной электроники Институ та общей физики им А М Прохорова РАН и могут
быть применены в др} гих исследованиях в области релятивистской плазменной СВЧ-электроники
Защищаемые положення
Величина внешнего магнитного потя существенно влияет на эффективность процессов генерации и усиления в плазменно-пл чковой системе
Показано, что традиционный метод подавления положительной обратной связи в СВЧ-}силитетях при помощи поглотитетя эффективен и в плазменной электронике Кроме того, эффективным средством достижения режима усиления является подавление обратной связи при выполнении условий для нормального эффекта Доплера Предложено использовать в эксперименте одновременно оба этих метода
Качественное соответствие теории и количественное сопасие с экспериментальными данными подтверждает достоверность рез) тьтатов моделирования с использованием выбрашюго вычислительного кода Это позволяет считать численный эксперимеш неотъемлемой частью программы экспериментальных исследований
Публикации п апробация результатов.
Материалы диссертационной работы докладывались на
10th International Conference and School on Plasma Physics and Controlled Fusion, г Алушта, Украина, 13-18 сентября, 2004,
32-ой Звенигородской конференции по физике плазмы и УТС, г Звенигород, 14-18 февраля 2005 г
20-ой международной конференции "Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество", Эльбр) с, 28 февраля-5 марта 2005 г
33-ой Международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы и УТС, г Звенигород, 13-17 февраля 2006 г
22-n Symposium on Plasma Physios and Technology, Праи, Чехия, 25-30 июня 2006 г
34-ой Международной (Звенигородской) конференцій! по физике плазмы и УТС г Звенигород, 12-16 февраля 2007 г
—Всероссийская конференция 'Физика низкотемпературной плазмы ФНТП- 2007 , 24-28 июня 2007 г
— 35-ой Международной (Звенигородской) конференции по физике
плазмы и УТС, г Звенигород, 11-15 февраля 2008 г
По материалам диссертации опубликовано 12 работ 5 — статьи в научных журналах, 3 публикации в трудах международных конференций, 1 в тезисах всероссийской конференции, 3 в тезисах между народной конференции
Сттктлра и объем щесертдцпп.
Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения Полный объем диссертации составляет ПО страницы, включая 57 рисунков и список литературы из 79 наименовании
