Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ связана с проблемами повышения выходной мощности, частоты излучения и КПД приборов релятивистской высокочастотной электроники, а также задачами ускорительной техника, в частности, поиском достаточно эффективных схем коллективного ускорения ионов.
Для организации длительного резонансного, в частности, авторезо-кансного взаимодействия предлагается использовать коаксиальный волновод, так как в нем существует поперечная ТЕМ-волна, распространяющаяся со скоростью света, что необходимо для осуществления авторезонанса. Коаксиальный волновод выделяется своей симметрией, такой же, как у трубчатых электронных пучков, кроме того этот волновод представляется весьма удобной конструкцией для создания статических полей с целью поддержания синхронизма.
Достаточно подробно исследован эффект, связанный с возможностью подавления отрицательного влияния на энергообмен разброса электронов по начальным (на входе) состояниям за счет введения случайных колебаний направляющего магнитного поля. Практическая значимость этих результатов определяется наличием таких колебаний в любой реальной системе.
Диссертационная работа содержит несколько защищенных изобретений, нацеленных на способы повышения частоты волны, "записанной" на отрезке электронного пучка, за счет ускорения частиц продольным электрическим полем, а также способ эффективного усиления высокочастотной волны с помощью сравнительно низкочастотной (двухсекционный, авторезонансный усилитель). Существенным достоинством рассматриваемого устройства является полный отбор кинетической энергии у частиц в выходной (высокочастотной) секции прибора.
ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ является исследование физических особенностей нелинейных эффектов в статических электрическом и магнитном полях, существенных для практической реализации резонансного, в том числе авторезонансного, взаимодействия электромагнитных волн и электронов для генерации и усиления золн, а также ускорения частиц. Возможности, возникающие при авторезонансном взаимодействии в коаксиальном волноводе, стохастическом увеличении времени синхронизма, использовании продольного и поперечного электрического поля для изменения энергии электронов направлены на повышение КЦД устройств реляти-
вистской электроники и частоты излучения.
-
Изучение движения заряженной частицы в коаксиальном волноводе в случае точного резонанса.
-
Исследование динамики энергообмена релятивистского электронного пучка с ТЕМ-волной в коаксиальном волноводе вблизи авторезонанса .
-
Изучение возможности увеличения времени синхронизма при авторезонансе за счет случайных колебаний направлящего магнитного поля.
-
Создание схемы двухсекционного авторезонансного усилителя с однородным направляющим магнитным полем.
-
Разработка способов трансформации частоты импульсного электромагнитного излучения с помощью электронных пучков.
-
Исследование возможности ускорения ионов полем цилиндрическо- . го виртуального катода, образованного электронами, испущенными с внутренней поверхности кругового цилиндра по радиусам к его оси.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА диссертационной работы определяется поставленными задачами, методами их решения и впервые полученными результатами. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:
-
В условиях точного авторезонанса численно и аналитически решено уравнение движения для электронов в ТЕМ-волне в коаксиальном волноводе. Найдены начальные условия, при которых синхронизм между частицами и волной сохраняется достаточно долго.
-
В приближении заданного поля и в полусамосогласованном режиме на основе сохранения потока энергии решена задача об эволюции энергообмена для пучка частиц, равномерно распределенных по фазам влета в пределах конечного интервала вблизи авторезонанса в коаксиальном волноводе. Найдена длина пространства взаимодействия, на которой взаимодействие в системе пучок-волна происходит без изменения направления энергообмена.
-
Показано, что в условиях предыдущей задачи при точном резонансе существует оптимальное фазовое положение сгустка электронов на ларморовской окружности, соответствующее максимальной эффективности энергообмена. При произвольном положении фазового сгустка максимальный КПД может быть достигнут с помощью специального подбора расстройки резонанса.
-
Исследована возможность стохастического увеличения времени
синхронизма при авторезонансе за счет случайного варьирования относительной расстройки резонанса. Установлено, что стохастический режим позволяет на порядок увеличить фазовое время синхронизма, скомпенсировав отрицательное влияние разброса начальных условий,
-
Предложена схема, позволяющая с высокой эффективностью преобразовывать энергию сравнительно низкочастотной встречной по отношению к пучку волны накачки в высокочастотную попутную волну. Переход пучка из секции накачки в секцию усиления сигнальной волны происходит в тот момент, когда для электронов выполняется условие полной передачи кинетической энергии в попутную сигнальную волну при авторезонансном взаимодействии.
-
Разработаны способы перестройки частоты импульсного электромагнитного излучения СВЧ-диапазона в результате ускорения продольным электрическим полем сгруппированных релятивистских и нерелятивистских пучков. При использовании нерелятивистских частиц производится ускорение пучка как целого для одновременного изменения скорости следования сгустков. В релятивистском случае изменение частоты происходит за счет изменения пространственного периода следования электронов при ускорении их бегущим от конца пучка к началу импульсом электрического поля.
-
Решена самосогласованная задача о поведении электронов, испущенных с внутренней поверхности кругового цилиндра по радиусам к его'оси. Вычислен радиус образующегося виртуального катода в зависимости от количества эмиттируемых электронов и их энергии. Вычислено значение темпа ускорения ионов, определяющееся величиной напряженности продольного поля на заднем срезе катода.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ состоит в исследовании нелинейных физических эффектов, которые могут быть использованы для 'повышения мощности, частоты излучения и КПД устройств релятивистской 'высокочастотной электроники, а также для ускорения частиц. Практическая значимость полученных результатов подтверждается двумя патентами и авторским свидетельством, полученными по материалам диссертации.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались:
-
на региональных научно-технических конференциях, посвященных Дню радио, г.Ростов-на-Дону, 1989 г. и 1990 г.
-
на Всесоюзном семинаре "Волновые и колебательные явления в
электронных приборах О-типа", г. Ленинград, 1990 г.
-
на Всесоюзной научной сессии, посвященной Дню радио, г.Москва, 1991 г.
-
на 1-ом Украинском симпозиуме "Физика и техника мм и субмм радиоволн", г.Харьков, 1991 г.
-
на Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы фундаментальных наук", г.Москва, 1991 г.
6) на Международном симпозиуме "Физика и техника мм и субмм радиоволн", г.Харьков, 1994 г.
ПУБЛИКАЦИИ. По материалам диссертации опубликовано 16 работ. ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ. Диссертация состоит.из "Введения", трех основных глав и "Заключения". Общий объем работы - 112 страниц. Диссертация содержит 77 страниц основного машинописного текста, 3 таблицы, 28 рисунков на 24 страницах и список литературы из 145 библиографических наименований на II страницах.
