Введение к работе
Диссертация посвящена теоретическому исследованию и численному моделированию нестационарных и переходных процессов излучения волн электронным пучком в плазменных волноводах конечной длины и ондуляторах.
Актуальность темы определяется прежде всего тем, что имеющихся теоретических результатов не вполне достаточно для объяснения результатов экспериментов в области плазменной СВЧ электроники. В большинстве имеющихся теоретических разработок рассматриваются вопросы стационарного усиления волн и волновых пакетов в плазменно-пучковых волноводах сложной поперечной геометрии. Развита линейная и нелинейная стационарная теория пучково-плазменных систем. Однако ряда реальных экспериментальных особенностей эти работы не учитывают. Важной особенностью экспериментальной установки является конечность ее длины - наличие выходного рупора, от которого частично отражаются возбужденные пучком плазменные волны. Это отражение может приводить к самовозбуждению плазменного СВЧ генератора и развитию различных нестационарных процессов. Кроме того, само возбуждение пучково-плазменной системы в реальном эксперименте часто обусловлено прохождением фронта пучка, что, очевидно, является также нестационарным процессом. Помимо этого, фактически не изучен вопрос о возможности рассеяния возбуждаемых при черенков-ской пучковой неустойчивости плазменных волн на самом электронном пучке и о влиянии этого рассеяния на спектр и динамику черенковской неустойчивости. Разработке такой нестационарной теории, учитывающей продольно-поперечную ограниченность и неоднородность области пучково-плаоменного взаимодействия, возможность выхода из этой области электромагнитного излучения, наличие фронтов пучка, посвящена настоя-
щая работа. Особое внимание в работе уделяется также проведению численных расчетов важнейших характеристик нестационарных пучково-плаоменных систем, параметры которых брались непосредственно из известных экспериментов по усилению и генерации электромагнитных волн в пучково-плазменных резонаторах.
Научная новизна работы состоит в рассмотрении нестационарных процессов в плазменном волноводе, возникающих при инжекции электронного пучка. Исследована возможность возникновения в плазменном резонаторе помимо плазменной волны, вызванной черенковской неустойчивостью, других волн системы. При этом изучается роль отражения от излучающего рупора и фронта пучка в возбуждении плазменного СВЧ генератора, а так же зависимость характера нестационарных процессов от геометрии пучково-ппазменной системы. Постановка задачи, учитывающая конечную длину плазменного волновода и другие особенности реальных экспериментальных установок, позволяет при численном моделировании проследить динамику выходного излучения и степень его нестабильности. Примененный аппарат метода медленно меняющихся амплитуд и трехвол-нового приближения для нелинейно взаимодействующих волн позволяет избежать некоторых трудностей подхода, основанного на прямом численном решении уравнений Максвелла-Власова. Численное моделирование, основанное на предложенных методах решения, позволяет рассчитывать характеристики реальных экспериментальных установок.
Практическая ценность работы состоит в развитии теоретической модели пучково-плазменной системы с поперечно-неоднородным заполнением, учитывающей конечность длины волново-
Диссертация посвящена теоретическому исследованию и численному моделированию нестационарных и переходных процессов излучения волн электронным пучком в плазменных волноводах конечной длины и ондуляторах.
Актуальность темы определяется прежде всего тем, что имеющихся теоретических результатов не вполне достаточно для объяснения результатов экспериментов в области плазменной СВЧ электроники. В большинстве имеющихся теоретических разработок рассматриваются вопросы стационарного усиления волн и волновых пакетов в плазменно-пучковых волноводах сложной поперечной геометрии. Развита линейная и нелинейная стационарная теория пучхово-плазменных систем. Однако ряда реальных экспериментальных особенностей эти работы не учитывают. Важной особенностью экспериментальной установки является конечность ее длины - наличие выходного рупора, от которого частично отражаются возбужденные пучком плазменные волны. Это отражение может приводить к самовозбуждению плазменного СВЧ генератора и развитию различных нестационарных процессов. Кроме того, само возбуждение пучково-плазменной системы в реальном эксперименте часто обусловлено прохождением фронта пучка, что, очевидно, является также нестационарным процессом. Помимо этого, фактически не изучен вопрос о возможности рассеяния возбуждаемых при черенков-ской пучковой неустойчивости плазменных волн на самом электронном пучке и о влиянии этого рассеяния на спектр и динамику черенковской неустойчивости. Разработке такой нестационарной теории, учитывающей продольно-поперечную ограниченность и неоднородность области пучково-плазменного взаимодействия, возможность выхода из этой области электромагнитного излучения, наличие фронтов пучка, посвящена настоя-
щая работа. Особое внимание в работе уделяется также проведению численных расчетов важнейших характеристик нестационарных пучково-плазменных систем, параметры которых брались непосредственно из известных экспериментов по усилению и генерации электромагнитных волн в пучково-плазменных резонаторах.
Научная новизна работы состоит в рассмотрении нестационарных процессов в плазменном волноводе, возникающих при пнжекции электронного пучка. Исследована возможность возникновения в плазменном резонаторе помимо плазменной волны, вызванной черенковской неустойчивостью, других волн системы. При этом изучается роль отражения от излучающего рупора и фронта пучка в возбуждении плазменного СВЧ генератора, а так же зависимость характера нестационарных процессов от геометрии пучково-плазменной системы. Постановка задачи, учитывающая конечную длину плазменного волновода и другие особенности реальных экспериментальных установок, позволяет при численном моделировании проследить динамику выходного излучения и степень его нестабильности. Примененный аппарат метода медленно меняющихся амплитуд и трехвол-нового приближения для нелинейно взаимодействующих волн позволяет избежать некоторых трудностей подхода, основанного на прямом численном решении уравнений Максвелла-Власова. Численное моделирование, основанное на предложенных методах решения, позволяет рассчитывать характеристики реальных экспериментальных установок.
Практическая ценность работы состоит в развитии теоретической модели пучково-плазменной системы с поперечно-неоднородным заполнением, учитывающей конечность длины волново-
да и отражение от излучающего рупора, возможность рассеяния отраженной волны на электронах пучка и излучения других волн в системе. Предложенная модель и результаты численного моделирования, основанные на ее применении, могут быть использованы при интерпретации проведенных и постановке новых экспериментов.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, приложения, заключения и списка литературы.
