Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Анализ процессов трансформации коротких электромагнитных импульсов в радиальных линиях 13
1.1. Трансформация амплитуды электромагнитных импульсов 13
1.2. Прохождение электромагнитного импульса через резистивный слой в радиальной линии 35
1.3. Трансформация-длительности электромагнитных импульсов в радиальной линии 41
ГЛАВА 2. Экспериментальное исследование трансформации и взаимодействия с электронным пучком мощных электромагнитных импульсов в радиальной линии . 55
2.1. Методика экспериментального исследования 55
2.2. Экспериментальное исследование трансформации амплитуды и взаимодействия с электронным пучком мощных электромагнитных импульсов в радиальной линии 64
2.3. Трансформация длительности электромагнитных импульсов в радиальной линии 80
ГЛАВА 3. Экспериментальное исследование трансформации и взаимодействия с электронным пучком мощных электромагнитных импульсов в системе радиальных линий 88
3.1. Методика экспериментального исследования. 88
3.2. Трансформация и взаимодействие с электронным пучком мощных электромагнитных импульсов в системе радиальных линий 95
3.3. Трансформация пространственно-временного распределения магнитного поля при его диффузии сквозь кусочно-неоднородный экран 106
Заключение 114
Литература 120
Приложение I 132
- Прохождение электромагнитного импульса через резистивный слой в радиальной линии
- Экспериментальное исследование трансформации амплитуды и взаимодействия с электронным пучком мощных электромагнитных импульсов в радиальной линии
- Трансформация длительности электромагнитных импульсов в радиальной линии
- Трансформация пространственно-временного распределения магнитного поля при его диффузии сквозь кусочно-неоднородный экран
Введение к работе
Амплитудная и временная трансформация импульсов электромагнитного поля находит применение в различных областях науки и техники. В литературе большое внимание уделяется теоретическому и экспериментальному изучению эффектов сжатия электромагнитных импульсов, изменения их амплитуды и формы при прохождении через различные среды и линии передачи.
Значительное число работ посвящено исследованию различных аспектов временной трансформации электромагнитных импульсов в линейных диспергирующих средах с потерями и без потерь (см., например, [1-9] ). Результаты этих исследований показывают, что при наличии дисперсии изменение фазовых соотношений между спектральными составляющими приводит к изменению амплитуды и формы распространяющегося импульса. После прохождения определённого расстояния фазовые соотношения могут измениться таким образом, что импульс будет иметь длительность меньшую, чем на близких расстояниях от источника, т.е. будет происходить сжатие импульса. Существенный вклад в этот эффект может внести изменение соотношения амплитуд спектральных составляющих из-за наличия потерь. В работах [l-5] получены аналитические выражения для огибающей импульса при различных параметрах среды и линий передачи; в [4-б] найдены оптимальные условия, при которых достигается максимальное сжатие электромагнитных импульсов; в [7J проведено экспериментальное исследование сжатия электромагнитных импульсов в линиях передачи с дисперсией; в [в,9J описано применение эффекта сжатия в радиолокации и при исследованиях рассеяния радиоволн морской поверхностью.
Большое число работ посвящено также изучению трансформации амплитуды и формы электромагнитных импульсов в нелинейных средах и линиях передачи (см., например,[10-15/ ). В этих работах исследовано самосжатие импульсов электромагнитного поля в нелинейных диспергирующих средах, найдены аналитические выражения, описывающие эволюцию огибающей импульса, его нелинейную модуляцию и ряд других вопросов.
Значительный интерес представляет изучение трансформации амплитуды и формы мощных электромагнитных импульсов без высокочастотного заполнения. Увеличение амплитуды и сокращение длительности таких импульсов в линиях передачи находит применение, например, для генерации наносекундных импульсов СБЧ-колебаний с помощью магнетронов [27,4-8] , для исследований диэлектриков [28] , при создании мощных электронных пушек [29,30] и т.д. Для трансформации _'_
электромагнитных импульсов без высокочастотного заполнения используются либо неоднородные линии передачи [25,27] , либо нелинейные линии с ферритом [I6-24-] . В нелинейных линиях с ферритом сокращение длительности импульса с одновременным возрастанием его амплитуды [23,24] или уменьшение времени нарастания импульса ("16-22] происходит за счёт образования ударных электромагнитных волн. Трансформация амплитуды импульсов в неоднородных линиях имеет место благодаря изменению волнового сопротивления линии по её длине [25-27] .
В качестве неоднородной линии для трансформации мощных электромагнитных импульсов может быть использована радиальная линия, у которой волновое сопротивление изменяется в радиальном направлении (увеличивается к центру линии).
Радиальные линии широко используются в различных областях науки и техники. Они нашли применение в технике СВЧ для согласо-
вания активных полупроводниковых СВЧ-устройств [42] , измерения параметров диэлектриков на СВЧ [35,37] , в антенной технике - в качестве антенн СВЧ [34,38-40, 44-46J и согласующих устройств [4і] , в волноводной технике [36,43,47,56J - для увеличения широкополосности линий передачи СВЧ-сигналов; для получения СВЧ-ферритов в СВЧ-рэзряде водорода [57,59] ; для индикации пучков заряженных частиц [67] ; в высоковольтной импульсной технике - в качестве формирующих линий [32,33] и т.д.
Существенные преимущества может дать применение радиальных линий для трансформации мощных электромагнитных импульсов. При распространении электромагнитной волны от периферии к центру радиальной линии происходит увеличение её амплитуды [58,61,68,69] . Амплитуда импульсов может быть существенно увеличена при суммировании электрических полей нескольких, последовательно расположенных радиальных линий. Это достигается, например, с помощью двойных радиальных линий, каждая из которых содержит одну закороченную вблизи центра и одну незакороченную радиальные линии [49, 70-72] . Внутренняя часть радиальных линий вблизи их оси может находиться либо в среде с высокой электрической прочностью (азот под давлением, трансформаторное масло и т.д.), либо в вакууме. В первом случае возможно получение на оси радиальных линий мощных импульсов весьма высокого напряжения, во втором случае представляется возможным осуществить их взаимодействие с электронными пучками.
Исследование взаимодействия электронных пучков с мощными электромагнитными импульсами, трансформированными в радиальной линии представляет интерес по нескольким причинам. Возникающие при трансформации большие электрические поля малой длительности могут быть использованы для получения нано- и субнаносекундных
импульсов электронного пучка, который применяется для генерации мощных импульсов СВЧ-колебаний [50,51] , исследования параметров СВЧ-полупроводников [52,53] , исследования распространения электромагнитных волн в волноводах [54] , возбуждения резонансных и замедляющих систем [55] и т.д. При этом существенным является выяснение обратного влияния пучка на процессы трансформации в радиальной линии, в частности изучение зависимости амплитуды электрического поля от тока пучка. Кроме того, электронный пучок может быть использован для определения амплитуды и формы мощных наносенундных импульсов электрического поля на оси радиальной линии по измерениям прироста энергии частиц и его распределения во времени.
Таким образом, использование радиальных линий для трансформации мощных электромагнитных импульсов является весьма перспективным. Однако этот метод фактически не разработан. В литературе содержатся лишь предложения об использовании для это$ цели радиальных линий [61-63, 68-72] , предлагаемые схемы их соединения и возбуждения [49,70,7lJ (для получения непотенциального поля, получения высокого к.п.д. при взаимодействии с пучком и т.д.). Лишь в одной работе [69J проведены расчёты для идеализированного случая бесконечно малого времени нарастания возбуждающего поля на входе линии (такая идеализация не соответствует реальным условиям, в которых время пробега волны в линии обычно сравнимо с временем нарастания возбуждающего поля и низковольтные измерения для некоторых частных случаев. Ни в одной из работ не были исследованы основные закономерности трансформации амплитуды мощных электромагнитных импульсов в радиальных линиях, не была рассмотрена возможность их временной трансформации, не исследованы эффек
ты трансформации в радиальной линии, заполненной диспергирующим ферродиэлектриком, не было осуществлено и изучено взаимодействие мощных электромагнитных импульсов, трансформированных в радиальных линиях, с пучком заряженных частиц.
Целью настоящей диссертации является детальное изучение процессов амплитудной и временной трансформации мощных электромагнитных импульсов и их взаимодействие с электронным пучком Б одиночной радиальной линии и системе радиальных линий.
В первой главе диссертации проводится теоретический анализ трансформации амплитуды и длительности импульсов, распространяющихся в радиальной линии.
В первом параграфе проводится анализ эффектов трансформации амплитуды электромагнитных импульсов в радиальной линии, заполненной ферродиэлектриком. На основе совместного решения уравнений Максвелла и уравнения Блоха определяется пространственно-временное распределение электрического и магнитного полей электромагнитной волны, распространяющейся от периферии к центру радиальной линии. Исследуется зависимость эффектов трансформации амплитуды от параметров импульса и радиальной линии, с учётом времени релаксации ферродиэлектрика. Рассматривается механизм трансформации амплитуды.
Во втором параграфе рассматривается прохождение электромагнитной волны через кольцевой резистивныи слой в радиальной линии. Исследуется влияние резистивного слоя на процессы трансформации амплитуды электромагнитного импульса и определяются условия, при которых это влияние несущественно.
В третьем параграфе теоретически исследуется временная трансформация электромагнитных импульсов, распространяющихся в радиальной линии. Исследуется, зависимость эффектов сокращения их
длительности и времени нарастания от параметров радиальной линии и условий её возбуждения.
Во второй главе диссертации приводятся результаты экспериментального исследования трансформации амплитуды и взаимодействия с пучком мощных электромагнитных импульсов в радиальной линии и результаты экспериментов по их временной трансформации. В'первом параграфе описываются экспериментальные установки
для исследования трансформирующих свойств радиальных линий при
5 импульсной мощности ^у 5*10 Вт и исследования трансформации
амплитуды и взаимодействия с пучком импульсов мощностью 5*10 -
- 5*10 Вт в радиальной линии, заполненной ферритом марки 60НН. Описывается методика проведения экспериментальных исследований.
Во втором параграфе приводятся результаты экспериментального исследования основных закономерностей трансформации амплитуды мощных электромагнитных импульсов. Исследуется зависимость эффекта трансформации от времени нарастания электрического ноля на входе линии, времени релаксации феррита, условий возбуждения радиальной линии. Исследуется зависимость прироста энергии частиц от этих факторов. Изучено обратное влияние' пучка на эффект тра нсфорыации амплитуды.
В третьем параграфе приводятся результаты экспериментов по временной трансформации электромагнитных импульсов в радиальной линии. Исследуются два случая коротких и относительно длинных импульсов на оси линии.
В третьей главе диссертации описываются эксперименты по трансформации и взаимодействию с электронным пучком мощных электромагнитных импульсов в системе радиальных линий.
В первом параграфе описываются экспериментальные установки для исследований трансформации, суммирования и взаимодействия с пучком мощных электромагнитных импульсов и методика проведения измерений.
_ ю -
Во втором параграфе приводятся результаты экспериментального исследования трансформации электромагнитных импульсов и взаимодействия их с пучком в системе из трёх радиальных линий с ферритом. Исследуется зависимость эффекта трансформации и прироста энергии частиц от времени амплитуды и времени нарастания электрического поля на входе линии импульса, энергетически-временные спектры электронного пучка.
В третьем параграфе приводятся результаты экспериментов по трансформации пространственно-временного распределения магнитного поля при его диффузии сквозь металлический экран вблизи его границы. Рассматривается вопрос об использовании этого эффекта для проводки пучка в системе радиальных линий.
В заключении перечислены основные результаты, полученные в диссертационной работе.
На защиту выносятся следующие основные положения и результаты:
I. Результаты теоретического анализа трансформации амплитуды коротких импульсов электромагнитного поля при их распространении в радиальной линии:
Изучено пространственно-временное распределение электрического и магнитного полей электромагнитной волны в зависимости от параметров импульса на входе линии, параметров радиальной линии и заполняющей её среды. Установлено, что эффект трансформации амплитуды определяется соотношением между временем пробега волны по линии-и временем нарастания электрического поля на её входе, а в случае заполнения радиальной линии ферродиэлектриком - также соотношением мезьду. временем релаксации его магнитного момента и временем пробега волны по линии. Исследована зависимость эффекта трансформации от этих факторов. Выяснены условия, при которых амплитуда электрического поля на оси радиальной линии значитель-
II -
но'превышает амплитуду возбуждающего электрического поля на её входе.
2. Результаты экспериментального исследования трансформации
амплитуды мощных импульсов электромагнитного поля в радиальной
линии и системе радиальных линий:
Изучена зависимость эффекта трансформации от времени нарастания и амплитуды импульса электрического поля на входе линии и условий её возбуждения при различных параметрах линии. Установлено, что указанные зависимости согласуются с теорией, подтверждён вывод теории о значительном эффекте трансформации в радиальных линиях. Показано, что при времени нарастания ^ 10 с за счёт эффекта трансформации электрическое поле волны в радиальной возрастает в 4 раза, а амплитуда суммарного импульса в системе из трёх двойных радиальных линий - в 10 раз. На основе результатов теоретического и экспериментального исследования показано, что магнитная релаксация в феррите, заполняющем радиальную линию, оказывает существенное влияние на процессы трансформации, даже при времени магнитной релаксации много меньшем времени пробега волны по линии.
3. Результаты теоретического и экспериментального исследова
ния временной трансформации электромагнитного импульса - сокра
щение его длительности и времени нарастания и спада при распро
странении от периферии к центру радиальной линии:
- Изучена зависимость этих эффектов от условий возбуждения и параметров радиальной линии. Показано, что в случае коротких
импульсов имеет место трансформация их длительности и времени нарастания, которая определяется отношением этих величин к времени пробега волны по линии, а в случае относительно длинных им-
пульсов - трансформация только времени нарастания, определяемая его отношением к времени пробега волны по линии.
4. Результаты экспериментального исследования взаимодействия электронного пучка с мощными электромагнитными импульсами, трансформированными в одиночной радиальной линии и системе радиальных линий с ферритом:
Показано, что возникающее при трансформации большое электрическое поле электромагнитной волны эффективно взаимодействует с электронным пучком, пролетающим вдоль оси радиальных пиний. Исследована зависимость прироста энергии частиц от времени в течение импульса, времени нарастания и амплитуды импульса. Изучено обратное влияние пучка на эффекты трансформации в радиальной линии. Показано, что в радиальных линиях, заполненных ферритом, эффективная трансформация амплитуды электромагнитных импульсов имеет место при токах пучка до нескольких сотен ампер.
Прохождение электромагнитного импульса через резистивный слой в радиальной линии
Во втором параграфе приводятся результаты экспериментального исследования трансформации электромагнитных импульсов и взаимодействия их с пучком в системе из трёх радиальных линий с ферритом. Исследуется зависимость эффекта трансформации и прироста энергии частиц от времени амплитуды и времени нарастания электрического поля на входе линии импульса, энергетически-временные спектры электронного пучка.
В третьем параграфе приводятся результаты экспериментов по трансформации пространственно-временного распределения магнитного поля при его диффузии сквозь металлический экран вблизи его границы. Рассматривается вопрос об использовании этого эффекта для проводки пучка в системе радиальных линий.
В заключении перечислены основные результаты, полученные в диссертационной работе. На защиту выносятся следующие основные положения и результаты: I. Результаты теоретического анализа трансформации амплитуды коротких импульсов электромагнитного поля при их распространении в радиальной линии: Изучено пространственно-временное распределение электрического и магнитного полей электромагнитной волны в зависимости от параметров импульса на входе линии, параметров радиальной линии и заполняющей её среды. Установлено, что эффект трансформации амплитуды определяется соотношением между временем пробега волны по линии-и временем нарастания электрического поля на её входе, а в случае заполнения радиальной линии ферродиэлектриком - также соотношением мезьду. временем релаксации его магнитного момента и временем пробега волны по линии. Исследована зависимость эффекта трансформации от этих факторов. Выяснены условия, при которых амплитуда электрического поля на оси радиальной линии значительно превышает амплитуду возбуждающего электрического поля на её входе.
Результаты экспериментального исследования трансформации амплитуды мощных импульсов электромагнитного поля в радиальной линии и системе радиальных линий: Изучена зависимость эффекта трансформации от времени нарастания и амплитуды импульса электрического поля на входе линии и условий её возбуждения при различных параметрах линии. Установлено, что указанные зависимости согласуются с теорией, подтверждён вывод теории о значительном эффекте трансформации в радиальных линиях. Показано, что при времени нарастания 10 с за счёт эффекта трансформации электрическое поле волны в радиальной возрастает в 4 раза, а амплитуда суммарного импульса в системе из трёх двойных радиальных линий - в 10 раз. На основе результатов теоретического и экспериментального исследования показано, что магнитная релаксация в феррите, заполняющем радиальную линию, оказывает существенное влияние на процессы трансформации, даже при времени магнитной релаксации много меньшем времени пробега волны по линии.
Результаты теоретического и экспериментального исследова ния временной трансформации электромагнитного импульса - сокра щение его длительности и времени нарастания и спада при распро странении от периферии к центру радиальной линии: - Изучена зависимость этих эффектов от условий возбуждения и параметров радиальной линии. Показано, что в случае коротких импульсов имеет место трансформация их длительности и времени нарастания, которая определяется отношением этих величин к времени пробега волны по линии, а в случае относительно длинных импульсов - трансформация только времени нарастания, определяемая его отношением к времени пробега волны по линии. 4. Результаты экспериментального исследования взаимодействия электронного пучка с мощными электромагнитными импульсами, трансформированными в одиночной радиальной линии и системе радиальных линий с ферритом: Показано, что возникающее при трансформации большое электрическое поле электромагнитной волны эффективно взаимодействует с электронным пучком, пролетающим вдоль оси радиальных пиний. Исследована зависимость прироста энергии частиц от времени в течение импульса, времени нарастания и амплитуды импульса. Изучено обратное влияние пучка на эффекты трансформации в радиальной линии. Показано, что в радиальных линиях, заполненных ферритом, эффективная трансформация амплитуды электромагнитных импульсов имеет место при токах пучка до нескольких сотен ампер. В настоящей главе проведен теоретический анализ процессов трансформации коротких электромагнитных импульсов без высокочастотного заполнения при их распространении от периферии к центру радиальной линии. При распределении электромагнитного импульса в радиальной линии происходит увеличение его амплитуды и сокращение длительности. В параграфе І.І рассмотрена задача о нахождении электрического и магнитного поля электромагнитной волны в линии в различные моменты времени при заданных условиях её возбуждения, при этом основное внимание уделяется изучению основных закономерностей трансформации амплитуды электрического поля. В параграфе 1.3 исследуешся временная трансформация электромагнитных импульсов. В параграфе 1.2 рассмотрено прохождение электромагнитной волны через тонкий резистивный слой в радиальной линии. Материалы главы опубликованы в [76-78,80,82,87] .
Экспериментальное исследование трансформации амплитуды и взаимодействия с электронным пучком мощных электромагнитных импульсов в радиальной линии
Результаты проведенных расчётов электрического поля показы вают, что эффект трансформации амплитуды импульса в радиальной линии зависит лишь от соотношения между временем пробега волны по линии 9 и временем нарастания импульса на её входе Ъ и не зависит от длительности импульса Т . Обобщённая зависи мость амплитуды электрического поля на различных радиусах линии от величины этого отношения представлена на рис.7. Из этого ри сунка видно, что трансформация амплитуды импульса в радиальной линии может быть весьма существенной, например при % = 4,5 ( О =4,5 нсек, 1 = I нсек) электрическое поле на оси в 5,7 раза превышает поле на входе линии. Из этого рисунка также видно, что если в центре линии эффект трансформации сильно зави сит от отношения 77 » то начиная о 0,3 этот эффект зависит от jr значительно слабее.
Результаты расчётов распределения магнитного поля электромагнитного импульса приведены на рис.8 и 9. На рис.8 показаны распределения магнитного поля по радиусу радиальной линии и их динамика во времени. Из этих рисунков видно, что по мере распространения импульса к центру линии сначала происходит увеличение магнитного поля (кривые 1,2,3), а затем при достижении оси линии магнитное поле спадает до нуля и отражённая волна меняет знак. Эффект трансформации амплитуды магнитного поля существенно возрастает с уменьшением времени нарастания #. возбуждающего импульса, что особенно наглядно видно из рис.9, на котором приведено распределение амплитуды магнитного поля по радиусу линии. Приведенные на этом рисунке кривые являются универсальными - не зависят от длительности плоской части импульса.
Из рис.9 видно, что в зависимости от параметра распределение амплитуды магнитного поля имеет различный вид: при малых ОС - плавно спадает к центру линии до нуля; при больших ОС - имеет максимум, величина которого растёт с увеличением ОС , кроме того, область максимума смещается с ростом в сторону меньших значений радиуса. Данные, приведенные на рис.9 позволяют в частности определить ограничения, связанные с насыщением ферродиэлектрика магнитным полем электромагнитной волны при трансформации мощных импульсов. Результаты проведенных расчётов позволяют проследить меха низм трансформации амплитуды электромагнитного импульса в ради альной линии. Это удобнее всего сделать для импульса треугольной формы (как было показано выше, эффект трансформации от длитель ности плоской части импульса на входе линии не зависит). Обра ботка полученных данных, в частности приведенных на рис.5,6,9, показала, что до определённых расстояний от центра (зависящих от ОС ) сохраняется как энергия электрического поля We = - J № dV » їак и энергия магнитного поля WH = = Г $ dV . Поскольку при распространении импульса от периферии к центру радиальной линии уменьшается объём, занимаемый полем, то при этом происходит увеличение как электрического, так и магнитного поля волны. Например, при ОС = 4,5 такая компрессия электрического и. магнитного полей имеет место до радиуса я 0,25/? (см.рис.9, кривая 5 и рис.5), а при & = 0,9 - до радиуса л; 0,8 R (см.рис,9, кривая I и рис.6). При распространении импульса к оси линии увеличение электрического поля происходит кроме того за счёт уменьшения магнитного поля (см.,например, рис.9), т.е. благодаря переходу. энергии магнитного поля в энергию электрического поля (в связи сокращением длительности электромагнитного импульса мо ет также происходить увеличение его амплитуды). Таким образом, механизм трансформации амплитуды электрического поля состоит в компрессии электромагнитного поля при распространении импульса к центру линии и переходе энергии от магнитного поля волны к электрическому. Полученные до сих пор результаты относились к случаю Tf - 0. Этот случай реализуется, например, в радиальных линиях без запол нения ( = I, -Г = 0). Однако, определённые преимущества может дать использование для трансформации электромагнитных им/ пульсов радиальных линий, заполненных шерродиэлектриком. В частнос ти, применение ферродиэлектриков с JUo »( позволяет су щественно сократить поперечные размеры радиальной линии при со хранении её трансформирующих свойств. Например, радиальная линия диаметром 20 см, заполненная ферритом марки 60 НН ( и - 60) эквивалентна радиальной линии с воздушным заполнением диаметром 300 см. С другой стороны, на процессы трансформации электромагнит ных импульсов в радиальных линиях с ферритом существенное влияние монет оказывать магнитная релаксация в феррите. Магнитная релаксация может приводить к изменению формы и уменьшению амплитуды электромагнитного импульса в радиальной линии. Зависимость электрического поля в радиальной линии от времени в течение импульса при различных значениях отношения 0/у для случая Тр =0 была приведена выше на рис.2, 4, 5, 6. Для выяснения влияния на характер этой зависимости конечного времени релаксации были проведены расчёты по формулам (12) при различных значениях отношений v и LP/B . Некоторые результаты этих расчётов приведены на рис.10 (при t =0, v = 2 и 6// = Ц-). Для сравнения на этих рисунках показаны
Трансформация длительности электромагнитных импульсов в радиальной линии
Это ослабление поля может быть весьма значительным даже при толщине резистивного слоя много меньшей величины снин-слоя ( Л«- (Г ), особенно при высоких частотах, Например, при 4- = 0,1, =у% =1, CL = I см, ь) = = 2ІЇ Ю8, резистивный слой из меди ослабляет электрическое поле примерно в Кг раз, а из графита - примерно в 10 раз. ослабляет электрическое поле в радиальной линии, если Из выражения (21) видно что резистивный слой практически не toe поле в радиальной линии, если Из проведенных выше оценок следует, что условия (22) и (23) накладывают значительно более жёсткие ограничения на толщину резистивного слоя, чем требование малости его толщины по сравне нию с величиной скин-слоя ( Л « & ). Сильное ослабление электрического поля тонким резистивный слоем, существенно меньшим толщины скин-слоя, т.е. в условиях, когда поглощение в нём электромагнитного поля мало, объясняется отражением электромагнитных волн от резистивного слоя. Тот факт, что отражение электромагнитной волны от металлической плёнки столь малой толщины может быть существенным, для простейшего случая плоских волн в неограниченном пространстве был показан в работах[90,91] Этот механизм ослабления электрического поля резистивный слоем в радиальной линии можно проследить следующим образом. При паде нии электромагнитной волны на резистивныи слой, в этом слое под действием электрического поля падающей волны Епа.д Жо (т т/є/Uo & ) возбуждается ток У = ZJ&АбЕпад. Этот ток создает магнитное поле НОТР-ТТ- — —к-пад » которое формирует отражённую волну. Отражение электромагниной волны от резистивного слоя будет существенным если магнитное поле отражённой волны сравнимо с магнитным полем падающей волны: Нотр Нпад
Из полученных выражений легко видеть, что отражение будет уже существенным при ЖІ (с" VJUO Лу —— Яо Ic vS.Mo ct/. Пользуясь асимптотикой функций Ганкеля при малых и больших аргументах, получим что существенное отражение электромагнитной волны от резистивного слоя имеет место при его толщине, определяемой правой частью выражений (22) и (23) соответственно при низких и высоких частотах. Таким образом, приведенные соображения подтверждают тот факт, что ослабление электромагнитной волны объясняется её отражением от тонкого резистивного слоя в радиальной линии.
Следует отметить, что формулы (21) и (23) остаются справедливыми также и в случае возбуждения радиальной линии (и других систем с цилиндрической геометрией) не внешним источником, а лучком заряженных частиц, пролетающим вдоль её оси [77] .
Полученные в настоящем параграфе результаты могут быть использованы при осуществлении взаимодействия электромагнитной волны в радиальной линии (ив других системах) с электронным пучком. Для отекания попавших на внутреннюю поверхность элект-ронопровода (диэлектрической трубы) рассеянных электронов пучка, на неё необходимо нанести электропроводящее (резистивное) покрытие, которое должно быть прозрачным для электромагнитных полей. Обычно толщина и параметры этого покрытия выбираются исходя из теплового режима, надёжной работы в условиях излучения и т.д. [ЗІ, 88] . Однако при малых длительностях импульса наряду с этим существенными являются ограничения, связанные с неравенством (23).
Таким образом, проведенный анализ показал, что тонкий резис- тивный слой в радиальной линии может оказывать существенное влияние на эффект трансформации распространяющейся в ней электромагнитной волны. Даже при толщине резистивного слоя, значительно меньшей величины скин-слоя, может иметь место существенное ослабление электромагнитной волны, что связано с её отражением от резистивного слоя. Получены условия, при которых влияние резистивного слоя на процессы трансформации электромагнитной волны несущественно.
В параграфе І.І были исследованы основные закономерности трансформации амплитуды электромагнитных импульсов в радиальной линии. Проведенные в этом параграфе расчёты также показали, что при распространении электромагнитной волны в линии изменяется не только её амплитуда, но и распределение во времени. Как видно из рис.2.б, импульсы большой длительности сильно дефрмируются, их длительность существенно сокращается. Например, в случае треугольного импульса с 9/и - 0,9 (рис. б) его полная длительность при распространении от периферии к центру линии сокращается примерно в полтора раза, а время нарастания и спада - примерно в три раза?
Настоящий параграф посвящен более детальному изучению эффектов временной трансформации электромагнитных импульсов в радиальной линии. Анализ будет проведен на основе решения "обратной" задачи о нахождении требуемой формы импульса на входе линии для получения на её оси импульса электрического поля заданной формы,
Качественно механизм временной трансформации импульсов можно проследить с помощью полученной в параярафе I.I дисперсионной характеристики радиальной линии (см.формулу 9): где Еыц , Etffo - Фурье-компоненты электрического поля соответственно на оси и на входе линии. Как видно из рассчитанных по этой формуле амплитудно-частотных и фазочастотних характеристик (см.рис,15), сокращение времени нарастания и полной длительности импульса может быть объяснено увеличением амплитуды высокочастотных составляющих импульса при его распространении от периферии к центру радиальной линии, а также её знакопеременной фазо-частотной характеристикой. (Наличие конечного времени релаксации приводит лишь к уменьшению амплитуды резонансных всплесков и некоторому округлению фазочастотной характеристики),
Для получения количественных соотношений определим требуемую форму импульса электрического поля на входе линии для получения на её оси импульса трапециидальной формы с длительностью плоской части 2 Л и временами нарастания и спада 1 . Подстазляя в (24) Фурье-образ такого импульса
Трансформация пространственно-временного распределения магнитного поля при его диффузии сквозь кусочно-неоднородный экран
Экспериментальное исследование процессов трансформации мощных электромагнитных импульсов производилось в два этапа. Сначала изучались основные закономерности трансформации,амплитуды и дли-тельности импульсов с импульсной мощностью 5 10 Вт, затем исследовалась трансформация амплитуды и взаимодействие с электрон 7 ными пучками импульсов с большей импульсной мощностью - 5 10 Схема установки для исследований амплитудной и временной трансформации импульсов мощностью 5 105Вт приведена на рис.21. Здесь импульс генератора по передающим коаксиальным кабелям типа PK-50-2-I3 длиной б метров поступает в радиальную линию на наружном радиусе. Число точек подключения А/ (расположенных равномерно по окружности) и соответственно число питающих кабелей изменялось от 2 до 24. Питающий импульсный генератор имел следующие параметры: амплитуда импульса « I кВ, его длительность у 40 не, внутреннее сопротивление 2 Ом. Длительность фронта импульса при проведении измерений регулировалась в пределах 1-Ю не. Импульс напряжения в центре линии через делитель Ri Ra. подавался на широкополосный осциллограф. При проведении измерений суммарное сопротивление Ri + R& изменялось от 1000 Ом, когда оно не оказывало влияния на процессы трансформации, до 50 Ом, с целью изучения влияния на процессы трансформации нагрузки, эквивалентной пучку.
Измерения производились с радиальной линией с воздушным заполнением и с радиальными линиями, заполненными ферритом. Это позволило более полно исследовать вопросы амплитудной и временной трансформации импульсов. "Воздушная" линия позволяет производить регулировку размеров, а значит и таких существенных параметров как время пробега волны по линии в и её входное сопротивление Р8Х . Исследование линии с ферритовым заполнением позволяет выяснить влияние на эффекты трансформации параметров феррита: магнитной релаксации, нелинейных свойств и т.д. Выяснение этих вопросов представляет большой интерес, т.к. "ферритовая" линия является удобной для практического использования, ввиду её малых габаритов.
Радиальная линия с воздушным заполнением состояла из двух медных параллельных дисков наружным диаметром 1,8 м и внутренним -0,02 м, расстояние между которыми могло изменяться в пределах 0,03 - 0,2 м, что давало возможность изменять входное сопротивлениє линии J в пределах 2 13,5 Ом. "Ферритовая" радиальная линия имела заполнение из феррита марки 60 НН с размерами: наружный диаметр - 0,18 м, внутренний - 0,06 м, толщина - 0,02 м. Этот тип феррита предназначен для работы в сильных полях и имеет высокую граничную частоту - 55 мГц [94] .
Для исследования трансформации и взаимодействия с электронным пучком электромагнитных импульсов большой мощности создана экспериментальная установка, схнма которой приведена на рис.22, Усгановка состоит из 3-х основных элементов: двойной радиальной линии и помещёнными в неё катодом и анодом, питающего высоковольтного импульсного генератора и системы измерения параметров пучка.
Исследования проводились с двойной радиальной линией (ДРЛ) [49,69] , поскольку использование одиночной радиальной линии встречает определённые трудности, связанные с тем обстоятельством, что один из её электродов находится под высоким напряжением (до 100 кВ). Это затрудняет создание вакуумной камеры для пучка, приводит к появлению паразитных ёмкостей, которые могут исказить характер протекающих процессов, и к опасности возникновения пробоев. В двойной радиальной линии указанные трудности отсутствуют благодаря включению параллельно исследуемой радиальной линии другой радиальной линии с теми же параметрами, закороченной вблизи оси. Такая дополнительная линия служит "импульсным? изолятором для потенциального" диена, устраняет паразитные ёмкости и опасность возникновения пробоя. С другой стороны она (по крайней мере в те-чение удвоенного времени пробега волны.по линии) не влияет на процессы, протекающие в исследуемой радиальной линии. Это обстоятельство было также проверено экспериментально: измерения с им-пульсами с мощностью 5 Дг Вт проводились как с одиночной так и с двойной радиальной линиями.
Высоковольтный импульсный генератор состоит из формирующей линии 3, коммутирующего разрядника 4 и передающей линии 2. Форми рующая линия 3 с волновым сопротивлением I Ом заряжается от источ ника постоянного напряжения 1&р через ограничительное сопро тивление R% и представляет собой 50 параллельно соединён ных коаксиальных кабелей типа PK50-9-I2 длиной 1,8 м. Передающая линия состоит из 12 параллельно соединённых кабелей того же типа длиной б м и предназначена для передачи импульса к двойной ради альной линии. Основной трудностью при создании импульсного высоковольтного генератора является получение малого времени нарастания импульса (1 2 не), необходимого для эффективной трансформации амплитуды. Эта трудность связана с малым волновым сопротивлением генератора" (требуемым для получения большой импульсной мощности), что предъ-являет жёсткие требования к величине индуктивности коммутирующего разрядника. Поэтому в обычной конструкции тригатронного разрядника не удаётся получить требуемое время нарастания импульса. Применение же других типов разрядников (например, с несколькими параллельно работающими искровыми каналами или дополнительными обо-стрителями [95] существенно усложняет конструкцию генератора и снижает его надёжность. В связи с этим была разработана простая конструкция коммутатора, обеспечивающая получение малого времени нарастания импульса. Коммутатор представляет собой тригатрон 4, работающий под давлением азота (0,5-1,5) І0 Па, в котором поджигающий электрод 5 расположен вблизи края основного электрода (диаметр электрода 0,13 м, поджигающий электрод расположен на расстоянии 0,054 м от оси основного электрода).
