Введение к работе
І. Актуальность работы
В последнее десятилетие, в связи с успехами высоковольтной импульсной техники и техники формирования мощных релятивистских электронных пучков, вновь начала бурно развиваться плазменная электроника. Плазменная электроника охватывает очень широкий круг как чисто научных, так и прикладных задач.
Особое место в плазменной электронике занимает проблема электромагнитного взаимодействия электронных пучков с плазмой, пучковая неустойчивость и вынужденное излучение пучков в плазме. Эта проблема имеет большое прикладное значение, поскольку она открывает возможность прямого преобразования направленной энергии электронных пучков в энергию когерентного электромагнитного излучения в очень широком диапазоне длин волн, начиная с дециметрового и вплоть, до оптического и даже рентгеновского диапазонов. Поскольку мощности импульсных электронных пучков, используемых для этих целей, очень велики, то и плазменные сильноточные источники электромагнитного излучения могут оказаться очень мощными.
В основе работы подобных источников электромагнитного излучения лежит явление плазмеино-пучковой неустойчивости, состоящее в эффективном возбуждении электромагнитных волн в плазме электронным пучком вследствие вынужденного Черепковского излучения. Использование этого явления в СВЧ электронике создает возможность
усиления замедленной (т. е. с фазовой скоростью, меньшей скорости света с) электромагнитной волны в широком диапазоне частот с большим коэффициентом усиления при относительно небольших токах пучка. Основными достоинствами плазиенной СВЧ электроники являются:
. І. легкая перестройка'частот усиливаемых волн за счет изменения плотности плазмы;
2. возможность освоения в СВЧ приборах токов пучка,
превыаавцях предельный вакуумный ток;
3. достижение высоких мощностей излучения.
Первые эксперименты с использованием сильноточных РЗП под
твердили возмолкость Черепковского возбуждения в плазме интенсив
но излучаемых регулярних колебаний, а, следовательно, и возмож
ность создания однояодового плазменного СВЧ генератора. Однако,
не удалось объяснить в рамках существовавших в .то вреия теорети
ческих представлений некоторые наблюдавшиеся экспериментально
явления, а именно:' .
1. в экспериментах с ростом нлотности плазмы частота генерируемого СВЧ излучения возрастала, но медленнее, чек предсказывала
1/2
теория (Ы <* л„ );
Z. отсутствие влияния коэффициента отраления излучения от выходного торца плазменного волновода на работу генератора.
Эти экспериментальные результаты указывали на -то, что необходимо предпринять дополнительные исследования, по изучению механизма взаимодействия РЭП с собственными колебаниями плазменной за-
медлящей структуры. Прояснить же этот вопрос может лишь создание Черенковского плазменного усилителя на сильноточном РЭП или же теоретическое и экспериментальное обоснование невозможности его реализации. Создание подобного усилителя позволит более детально выявить механизм взаимодействия электромагнитных волн и сильноточного РЭП в плазменном волповоде. Кроме того, усилитель и сам по себе представляет большой практический интерес нз-за принципиальной возможности управления спектром выходного излучения благодаря значительной широкополосности такого усилителя.
Единственной па сегодняшний день экспеярикентально реализованной замедляющей структурой Черенковского плазменного мазера на сильноточном релятивистской электронном пучке является круглій металлический волновод, заполненный трубчатой иагиитоактивкой плазмой малой, но конечной толщины - 6 < г ,Я. Здесь: в - толщина плазменной трубки, г„ - ее среддгай радиус, а Я - радиус внешней металлической стенки.
Коаксиальный плазменный волновод должен удовлетворять следующим требованиям. Во-первых, он должен быть сверхразмерным, т.е. должен иметь достаточно большое поперечное сечение. Во-вторых, он не должен иметь экранированных плазмой выходных окон В-третьих, недопустимо попадание плазмы в диод сильноточного ускорителя. И, наконец, в-четвертнх, возбуждаемая пучком собственная мода должна иметь значительные фазовую, но меньшую скорости света с, и групповую скорости. Для того, чтобы удовлетворить первым трем требованиям используется частичное заполнение плазмой круглого метал-
- В -
лическог волновода, а для того, чтобы удовлетворить последнее требование плазма должна быть достаточно плотной, т. е.
п «10 см . Кроме того, входной и выходной волноводы должны быть коаксиальными металлическими волноводами, т. е. подобными коаксиальному плазменному.
В связи с этими практческими и научными задачами возникает необходимость точного знания электродинамических свойств данной плазменной замедляющей структура, а также зависимостей ее дисперсионных характеристик от геометрических параметров , от плотности плазмы п и от напряженности внешнего магнитного поля В. Причем, особый интерес представляет случай, наиболее близкий к реальный экспериментальным условиям, а именно, случай как конечного внешнего магнитного лот, так и конечных размеров (как поперечных, так и продольных) плазменного заполнения. В этом случае моды ГМ-и Г-типов не расцепляются, собственные поперечные волновые числа системч являются комплексными, а топография собственных мод очень слоана.
Цсльи яастояцей работы являлось еоретическое (аналитическое и численное) и экспериментальное исследование электродинамических свойств цилиндрического волновода, частично заполненного трубчатой иагкитоактивной плазмой, в широком диапазоне плазкенньсі плотностей, 0< п 0.0 см" , и иапряхенностей внешнего магнитного поля, 0.02 Тл< В «2.5 Тл.
Научная новизна работы.
Получение точных аналитических решений для задач о дисперсионных свойствах конкретных плазменно-Чйлолненных систем в большинстве случаев не представляется возыозным. Точные аналитичессие выражения, описыващие дисперсионные свойства подобных систем, могут быть получены лишь в незначительном числе предельных случаев, т.е. при прігаятии определенных начальных допущений о свойствах систем. Например, в предположении об: однородности плазменного профиля; бесконечной величине внешнего магнитного поля; бесконечно малой величине поперечного размера плазмы и неограниченности плазменного волновода в продольном направлении: отсуствии в плазме температуры я столкновений; и т. п. Поэтому во многих случаях при анализе дисперсионных характеристик плазменных замедляющих структур приходиться прибегать к численному расчету.
Для круглых волноводов со сплошным однородным плазменным заполнением или ве частичпым заполнением в виде однородного плазменного шнура, проведение аналитического и численного анализов их дисперсионных свойств при принятии вышеперечисленных допущений не представляет больших трудностей. Действительно, в первом случае ДУ представляет собой лишь определитель 3-ого порядка, а во втором - 5-ого. Поэтому подобные плазменные замедляющие системы к настоящему времени достаточно хорошо теоретически изучены. Задача яе об определении спектров собственных частот коаксиального плазменного волновода (тонкостенная плазменная ^^здуррн круглого
волновода) в конечной магнитном поле дахе при большой числе исходных упреэдшдах предположений до недавнего времени практически не была исследована как аналитически, так и численно. Рассматривались лишь отдельные предельные случаи при большом числе принятых исходных допущений. Дело в том, что ДУ для подобной замедляю-цеи система - а именно она и является на сегодняшний день единственной экспериментально реализованной - представляет собой определитель 10-го порядка, аналитический анализ которого крайне затруднен дале в предельных случаях, а полный численный анализ был затруднен из-за ограниченных вычислительных возможностей компьотеров.
В данной диссертации бил осуществлен аналитический и компьютерный анализ дисперсионных свойств коаксиального плазменного волновода при принятии лишь только трен изначальных допущений о системе, а ішешдо:
-
бесконечная протялеииость систекы в продольном направлении;
-
холодная, бесстоякнозительная плазма;
-
однородность профиля плотности плазмы в радиальном и азимутальном направлениях.
В реальных экспериментальных условиях, создаваемая плазма всегда ограничена по длине и всегда имеет неоднородные радиальные профили электронной и ионной плотностей. П этому данная модель является всего лишь хорошим приближением к реальным экспериментальным условиям.
- g-
В данной диссертации был проведен компьютерный расчет дисперсионных свойств коаксиального плазыенного волновода в конечном магнитном поле при учете радиальной неоднородности плазменного профиля плотности. Тем самым была учтена реально существующая особенность плазмы, которая может повлиять на дисперсионные свойства плазменной замедляющей системы.
Кроме того, в данной диссертации било проведено компьютерное моделирование задачи о возбуждении коаксиального плазменного волновода конечных поперечных и продольных размеров (1=5-6.5 см), монохроматической ТЕП волной.
В данной диссертации было проведено экспериментальное исследование дисперсионных свойств коаксиального плазменного волновода конечной длины в широких диапазонах плазменных плотностей и нап-ряжекностей внешнего магнитного поля.
Научная и практическая ценность работы.
Научная и практическая ценность данной диссертации заключается в определении дисперсионных свойств, структур полей и декрементов затухания' собственных азимутально-симметричшх код коаксиального плазменного волновода для произвольной напряженности внешнего магнитного поля, плотности плазмы и степени неоднородности ее радиального профиля плотности. Причем, на основе полученного общего дисперсионного уравнения и расчетных програші можно легко проанализировать дисперсионные свойства любой плаз-
менно-наполненной замедляющей системы. Точное же знание электродинамических свойств плазменных замедлясщих систем позволяет определить те параметры, при которых возможно эффективное взаимодействие (как Черенковское, так и циклотронное) сильноточных РЭП с собственными модами системы, и, как следствие этого, создание мощных источников когерентного электромагнитноого излучения сантиметрового и миллиметрового диапазонов длин волн.
В диссертации показано, что при слабых магнитных полях (fieo0) возникает сильное аномальное затухание собственных мод (как быстрых, так и медленных) в переходных плазменных слоях, в которых выполняется условие Res =0. Это явление мохет быть использовано для эффективного нагрева плазмы внешіей СВЧ волной на верхнегибридном электронном резонансе. Декремент затухания при
13 *3
плотности плазмы п «10 см составляет величину порядка 1.5 дБ/см для быстрой Тй0, моды и 5-7 дБ/см - для медленной.
Заслуживает также внимания исследованное в данной диссертации явление двухмодового возбуждения на фиксированной частоте коаксиального плазменного волновода. Существует "резонансное" значение плотности плазмы (при фиксированном продольном размере системы), при котором мощность транспортируемой через плазменный волновод СВЧ волны не попадает в выходной излучатель. Это явление моют быть использовано в качестве новой методики измерения электродинамической плотности плазмы в установке.
Алпробация резу/шгатоз.
Материалы диссертационной работы докладывались на:
- VIII Международной конференции по мощным пучкам заряженных
частиц (BEAMS'90), г. Новосибирск, Российская Федерация, 2-5 июля
1990 г.
- Меядународнои совещании по взаимодействию сильных электромаг
нитных полей с плазмой (STRONG HICROTTAVES IN PLASMAS), г. Суз
даль, Российская Федерация, 18-э сентября 1990г.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 работ: 6 статей в научных куриалах, 1 публикация в виде препринта Института общей физики и 3 публикации в трудах международных конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертация сое эпт пз Зведення, пяти Глав и Заключения. Полный объем диссертации сосчв'ляэт 188 страниц, включая 39 рисунков и список литературы из 55 наименований.
