Введение к работе
Актуальность иссдеяуешой прс&гемы. Теория колебании и еолн зсегдэ сыла той основой, на которой отреклась современная радиофизика, причем ааеи и методы теории волн имеет большое значение для тонимания Физических явлений е тсЬ части радиофизики, которая связана со сзерхзыссксчзстстнои ССЕЧЗ электроникой. Э частности, изучение линейных волновых процессов з электрскных потеках и системах 'электронны! поток - электромагнитная зелнз", разделение их ка юлны с положительной я отрицательней онергиез, позволило построїть теории слабых сигналов различных ткпое прибероэ с длительным >заимодєйствие!4. Лелались попытки рассмотреть л нелинейное явления і с-тих приборах о позиций теории волн С например, з работе Л. 5сил-;вэна33
Однако, когда выяснилось, что оптимальные режимы работы боль-инст2а аз них. характеризуется си.ленои нелинейность», приводящей к огону одних -электронов другими, нелинейный волновой подход Рыл адолго забуг. Основные результаты келикейнс-а теории была получены помсаьв численного моделирования так называемым методом "крупных астш"? яспользусашы описание электронного' потока з переменных агранха.
бурное раЕЕитяе теории нелинейных волн обусловило появление яда новых нелинейных феноменов, з частносча солитсноз. которые ряЕлекгит- внимание исследователей, рзоотасык в самых различных властях - радиофизике, гидродинамике, физике плазмы* геофизике. пзике твердого тела а др* Уникальные /свойства солитсноз ног/т гйти применение для создания распределенные импульсных уетроЗстз окислительной техники. 2 системах связи я т.п. на СЄГОЯНЙШК5ЇЙ
5. Н. Шезчжс. Л. И. Трубєцкоз. Аналитические методы расчета з элех-
:-снике СЕЧ. U..- Сов. радио. 1S70.' -
L.5riiioiiin. // J.^ppi.FIr/s. 1949. Voi.20. ?*І2. pp. I.V5Q-1LC3.
Лж. Рсу. Теория яеланейных явлений з призерах сгорхЕг'ссчнх чао-у?. 'А. ;Ссв. радио. ІЙЄ9.
день особое значение приобрело изучение оптических СОЛИТОНОВ J волоконным световодах0 с целыэ их использования лля передачі информации. Б последнее время все большее внимание уделяется аналогичным явлениям в СВЧ-диапазоне.
Интерес к сслк-тонам привел к появление раоет. в которых оо-сугдэется вопрос оз их везоухаени!-' v, распространении е электронны-потоках. При этом-основные уравнения записываются в переменных Эйлера (.так называемое гидродинамическое приближение}. когда потог Рсіссліат~кваетсй как сплошная среда - "заряженная жидкость' , скорость которой является однозначной функцией координат и воемени. Как правило, подоены? исследования направлены на получение т исходных уравнений, описывающих систем-/, того или иного эталонного уравнения (.обдано - уравнения Кортевега - де Вркза СКдВЗЭ. В то же время, почти нигде не обсуждается вопрос о том. насколько реаяьньк системы соответствует модельным. Ответом могли бы послужить результаты численных экспериментов, основанных на гидродинамических моделях ' Електронного потока. Однако, подобные исследования практически отсутствует в литературе.
Важный раздел теории soj ювых процессов составляет изучение явлений, обусловленных резонансным взаимодействием нелинейных'вол -новых пакетов? В первую 'очередь представляет интерес взрывная неустойчивость (при трехволновом резонансе} и модуляционная неустойчивость (при четырехволновом). Заметим, что при модуляционной неустойчивости возможно образование солитонов огибавшей. Модельными уравнениями е,первом случае могут служить так называемые уравнения трехволноврго взаимодействия, а во. втором - нелинейное уравнение Ередингера СНУ1Ю.
Поскольку распределенные динамические системы типа "электронный поток - электромагнитная волна" представляют собой классические объекты теории нелинейных волн, следует ожидать. ЧТО И ДЛЯ НИЗІ характерны подобные явления. Особенно широкие возможности открывается при ' использовании нескольких Св простейшем случае -'двух} электронных потоков в связи с возможностью возбуждения большего.
6 G.P/Agrawal. Nonlinear fiber optics. Academic. Boston. 198Э.
6 Г. M. Заславский. P.S. Саг леев. Введение в нелинейную физику.- От маятника .до турбулентности и хаоса. М.: Наука. 1988.
чем в одном потоке, числа волн пространственного заряда. Исследование многсвслновых неустойчивостей в отих системах может оказаться полезным как для улучшения характеристик традиционных приборов СВЧ, так и для создания новых типов приборов, принцип действия которых основан на нелинейном взаимодействии волн.
Указанные обстоятельства позволяют считать тему диссертации актуальной и важной для современной теории нелинейных волн и радиофизики.
Цель работы состоит в исследовании нелинейных вслнсёых явлений (главным образом, золновьгх взпаимодействийЗ з системах, содержащих ЭЛеКТрОННЬе ПОТОКИ И ЭЛеКТрОМаГНИТНЫе ПОЛЯ, З ЧаСТНОСТй:
а разработке методов моделирования не-гтационарных нелинейных процессов в.электронных потоках, описываемых гидродинамическими- уравнениями, и выяснении перспектив их применения для исследования некоторых приборов сверхвь:сс.:очастотноЯ электроники;
з исследовании особенностей распространения и взаимодействия уединенных волн в электронных потоках;.
в построении теории модуляционной неустойчивости волн пространственного заряда и ее проверке путем численного моделирования;
в аналитическом и численном изучении многоеолноеых неустойчивостей в системах типа' "деэ взаимодействующих электронных потока - электромагнитная волна" Сз частности, взрь шой неустойчивости);.
Научная яозйзиа. В работе получено аналитическое выражение для уединенных волн пространственного заряда. Впервые осуществлено численное моделирование процессов взаимодействия отих волн в рамках исходных гидродинамических уравнений.. позволившее выяснить степень применимости предлагавшихся ранее ж дельных уравнений.
Аналитически исследована модуляционная, неустойчивость волн-пространственного заряда и показана принципиальная роль нелинейного взаимодейс-зия быстрой и медленной ВПЭ. Епервш проЕеаеко численное моделирование модуляционной неустойчивости ЛЗ и процесса образования уединенных волн.огиЬаицэй.
В обшей постановке исследована задача о распространении мнс-гочаототных еолнсвьи ягкетоь в нелинейной среде с дисперсией пги отсутствии грехволновых взаимодействий. Показано, что для корректного описания этого процесса следует исполкзозать систему связанных.Н7Ш.
Предложены гидродинамические модели для численного анализ
нелинейных ёолновых процессов в электронных потоках и показан,
возможность иг. эффективного применения для анализа призеров тип.-
клистродз. Впервые изложены подробные результаты теоретического
исследования клистродов с гвтоэмн::сионным катодом - усилителя-::
умножителя частоты."
Предложен способ подавления модуляционной неустойчивости при взаимодействии электронных потоков с обратной электромагнитной волной за счет использования двухскероотного электронного ПОТОКс. Показано, что при этом можно добиться существенного увеличения
ВЫХОДКОЙ МОЩНОСТИ В ОДН0Ч5СТ0ТНОМ ре кике..
-Впервые показана принципиальная возможность реализации взрыь-ной 'неустойчивости в системах типа "два взаимодействующих электронных потока - электромагнитная волна"; проанализировано влияние различных фэкторов на пусковой режим генерации.
Практическая значимость диссертации связана, прежде всего, с тем, что полученные в ней результаты могут найти применение для улучшения характеристик существующих и создания новых приборов сверхвысокочастотной электроники.
В частности, модуляционная неустойчивость золн пространственного заряда моу.ет яейтьсг-: причиной нежелательного усиления паразитных сигналов Сили шумов] в приборах. 0-типа,- где используются протяженные электронные потоки, поэтому важны способы ее подавления. -
Разработанные матовы. моделирования нелинейных процессов на основе гидродинамических уравнений помогают преодолеть ряд трудностей, возникающих при изучении и машинном проектировании приборов с модуляцией эмиссии со средним углом пролета. Применение этих методов для исследования характеристик клистродов с различными законами эмиссии позволило выяснить влияние ряда факторов на мощность и КПД ЕзаимодейстЕия.
Предложен и исследован способ повышения выходной мощности генераторов обратной'волны 0-типа в одночастотнем режиме за счет подавления модуляционной неустойчивости при использовании двухско-рсстного электронного потока.
Исследование взрывной неустойчивости в системах типа "два взаимодействующих -электронных потока - электромагнитная волна"
может привести к появление нового класса перестраиваемых по частоте генератороз СВЧ-ислучения.
Изучение свойств уединенных волн пространственного заряда представляет интерес для некоторых способов коллективного ускорения ионов электронными гтотсками.
Некоторые результаты диссертации Сзспросы. связанные с уединенными волнами пространственного заряда' включены з программ/ -.урса лекций "Теория волновых процессов" для студентов 4-го курса дневного отделения физического- факультета СГУ 'специальность 'радиофизика и электроника"}.
Структура и объем работы. Диссертация состоит па введения, четырех глав vi заключения С159 стр. основного "-екстэ]. 55 стр. иллюстрации и 10 стр. списка литературы. Еклгчахчлего 101 наименование.
