Введение к работе
Актуальность те;ді. '/соледовалия, нгщсленкые на разработку плазмошіїїх и вакуумных приборов, предназначенных длг. уенчепия ( гєнераіу-ш) модного электромагнитного излучения, относится к одному кз перспективних направлении современной физики интенсивных пучков заряженных частиц. Бурное развитие данного напраїлен-ия. вызвано потребность» «Т.уцдаг.:єи7а.'іьной науки и ряда прикладных программ в разнообразных по своим характеристикам исгочш-ках электромагнитного излучения. Различные пучколкс устройства ужо сегодня позволяют перекрыть широкім интервал длин волн от метрового до субмиллиметрового и болзо коротковолнового диапазонов.
В то же время, КПД реальных устройств, в особенности наиболее високочастотних, остаётся достаточно низким. 3 Сдяэи с эуим наряду с ро.зработкой принципиально новых приборов, в частности обеспечивающих дальнейшее продвижение в коротковолновую область спектра, особую актуальность приобретают исследования, ориентированнее на пойся способов повышения эффективности ухе ииежцихсв устройств.
Усилительные свойства электродинамических систем с пучкаїли заряженных частиц обусловлены их неравнобєсностью. г'аэвивагщиесл в таких системах неустойчивости приводят к перераспределению кинетической энергии пучка между различными его степенями свобода и возбуждаемом эльктромагнитшм нолей. Если длина систеїш, длительность пучка достаточно велики, то за соответствующим линейному этепу взаимодействия "волна- пучок" экспоненциальным нарастанием видел oiriiux начальними условиями типов возмущений следует насыщение процесса усиления, и амплитуда электромагнитного поля достигает максимально. ) значения. Параметри состояния нелинейного насыщения определяют продельные возможности конкретного устройства по возбуждению электромагнитного излучении, В связи с этим актуальной является задача теоретического описания режимов нелинейного насыщения в устройствах СШ-электроники.
В настоящее вре:.ш многочисленные прше чадные задачи стимулируют но только разработку систем, обе-спечивага'их достижение рекордные уровней мощности излучения, hw л работы но созданию относительно простых, компактних коротковолновых приборов с хороший возможностями по управление рабочая частотой. Поэтому значительное внимание привлечено и к ток называемым черенке вс:<им
- 4-лазерам на свободных электронах (.ЧЛСЭ), которые являются высокочастотными - с длиной полны м&нее I мм - аналогами тэ.ких клас- еичесьих систем, как лампа бегущее волны (.ЛЕВ) типа 0. Усиление электромагнитной волны в ЧЛСЭ происходит в результате взаимодействия электронного пучка с замедляющей системой, выполненной, например, в виде волновода.с диэлектрическими элементами. Благодаря простоте конструкции подобные устройства, работающие а дальнем инфракрасном диапазоне, могут успешно конкурировать и с такими относительно новыми перспективными приборами, как лазеры на свободных электронах. Это делает актуальными теоретические исследования физических процессов в ЧЛСЭ и, в частности, описание применительно к ЧЛСЭ режимов нелинейного иасшіения, рассмотрение которых позволяет выявить предельные возможности этих сиитем и пути оптимизации их параметров с целью повышения ІЩД.
Цель работы; - аналитически исследовать характеристики предельных состояний нелинейного насыщения взаимодействия "волна - пучок" в системах типа ЧЛСЭ с диэлектрическими элементами;
- разработать теоретическое описание линейного режима уси
ления и режима с предельным возбуздекиеы электромагнитного поля
в имеющем реальный экспериментальный аналог ЧЛСЭ с Планерной ге
ометрией и ленточным пучком; исследовать возможности оптимизации
его параметров.
Научная новизна; проведённых исследований характеризуется следующими результатами:
применительно к ЧЛСЭ с пучком малой плотности (комптоно-векки режим усиления) разработана модификация метода равновесных нелинейных волн, свободная от априорных предположений о форме модуляции плотности захваченного пучка, исследованы свойства возможных распределений захваченных волной частиц;
установлены аналитические соотношения, описывающие обусловленное захватом пучка нелинейное насыщение в случае, когда существенны коллективные пучковые эффекты; с помощью указанных соотношений получена оценка верхней границы диапазона токов, в котором механизм нелинейного насыщения связан с захватом пучка, определено максимальное по току пучка значение предельного К1ІД ЧЛСЭ;
&-- в рамках метода равнозесных нелинейных воли исследованы состояния нелинейного насыщения в ЧЛСЭ с планарнои геометрией, определены завксішости предельного КПД устройства о? пар/шетров волноводноя системы .и электронного пучка.
Практическая ценность представленных в диссертации результатов определяется тем, что они непосредственно могут быть использованы при разработке и оптимизации конкретных конфигураций ЧЛСЭ с диэлектрическими элементами. Креме того, развитый в диссертации применительно к ЧЛСЭ аналитический подход позволяет исследовать предельные режими и в других пучково-волнозодных вакуумных и плазменных системах.
На защиту выносятся;
1. Результаты самосогласованного описания предельных состо
янии нелинейного насыщения в диэлектрических волноводных систе
мах (" - системах") с интенсивными лучками заряженных частиц
в условиях одночаотичного вынужденного эффекта Черенкова.
2. Результаты аналитического исследования равновесных нели
нейных состоянии "волна - захваченный пучок" {применительно к
- система».!) в случае, когда существенную роль играют коллективные пучковые эффекты.
3. Результаты аналитического исследования нелинейного насы
щения в ЧЛСЭ с планарной геометрией, а также выводы теории о
предельных возможностях данной усилительной системы и путях повы
шения её эффективности.
Аітсобация работы. Материалы диссертации докладывались на УІІ Всесоюзном симпозиуме ло сильноточной электронике (Томск,1988 ), на международной конференции "BEAMS - 88" (' Карлсруэ .ФРГ, 1988), на семинаре по физике плазмы под руководством профессора А.А.Ьу-хадзз, на семинара по сильноточным пучкам заряженных частиц под руководством профессора А.А.Коломенскогс в ФИАН.
Публикации. Основные результаты настоящей работы отражены в пяти публикациях.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения, трёх приложений и описка литературы (ІІГ наименований). Рабста изложена на 1^/4страницах, содержит 23 рисунка.
-.6 -
