Исследование генерации и распространения короткоимпульсного электромагнитного излучения Петров Петр Витальевич

СВЧ

Сетчатый анод

Фотокатод

вакуумированный объем, р<0.005 мм Нд

Рис. 3. Фотоэмиссионный источник сверхширокополосного ЭМИ

Новизна предложенной схемы влечет за собой целый ряд особенностей как по формированию излучающего дипольного слоя, так и по генерации сверхширокополосного ЭМИ, которые в классических схемах не проявлялись и нуждаются в исследовании, в частности, к ним относится определение параметров системы, от которых зависят предельные характеристики излучателя.

Для практических приложений интерес представляет не только моделирование процессов возбуждения ЭМИ, но расчет его распространения, поскольку параметры поля должны быть известны не только на выходе СВЧ-генератора, но и на мишени, после прохождения волн через неоднородные и анизотропных слои вещества. В частности, такие задачи постоянно возникают при планировании и интерпретации экспериментов. Однако в целом эта проблема имеет существенно более широкую область приложений, которая простирается от исследований распространения радиоволн в атмосфере и земной коре до расчета ЭМ полей в элементах микроэлектроники. Для решения задач распространения ЭМ излучения необходимы

трехмерные программы, в которых конечно-разностные методы для решения уравнений Максвелла обобщены на случай неоднородных и анизотропных сред.

Проблема моделирования генерации и взаимодействия широкополосного электромагнитного излучения актуальна не только для создания и исследования новых схем сверхширокополосных излучателей, но и для источников, построенных по «классическим» схемам. Современные генераторы СВЧ-излучения высокой мощности на основе сильноточных релятивистских электронных пучков характеризуются тем, что

в них могут одновременно реализовываться несколько элементарных механизмов возбуждения ЭМ волн (черенковский, доплеровский, переходной и другие),

процессы генерации носят многомодовый характер,

существенными оказываются эффекты нелинейного взаимодействия пучка с ограниченными в продольном направлении электродинамическими структурами, при которых происходит трансформация волн [17],

усложнились электродинамические структуры — появились новые типы систем в виде отрезков сверхразмерных волноводов с гофрировкой различного типа [18].

Эти особенности не позволяют в полной мере использовать преимущества традиционного подхода к математическому описанию мощных СВЧ-устройств, основанного на классической теории возбуждения волноводов и усредненных уравнениях движения пучка [19], особенно на переходной стадии, когда происходит формирование и электронного пучка, и ЭМ излучения. Так как многомодовые процессы являются частным случаем широкополосного излучения, то представляется очень привлекательным описать их эволюцию во времени с помощью моделей, предназначенных для расчета короткоимпульсных ЭМ сигналов.

Особо надо выделить проблему моделирования электродинамических систем СВЧ-генераторов, которая является одной из первоочередных и отнюдь не тривиальной, поскольку при расчетах всегда возникает вопрос о достоверности и сходимости численного решения, и без знания деталей о взаимодействии ЭМ волны со сверхразмерными структурами дать на него ответ невозможно. В ряде случаев электродинамическая система представляет собой регулярный (прямоугольный или цилиндрический) волновод, дополненный системой резонаторов с характерными размерами, существенно меньшими длины волны и сравнимыми с шагом расчетной сетки, и для ее описания достаточно часто используются математические модели в частотном представлении, основанные на теории возмущений. В связи с этим весьма актуальной задачей представляется разработка физико-математической модели для дифракции электромагнитных волн на системе резонаторов без использования теории возмущений. Такая модель позволяла бы эффективно проверять не только адекватность и достоверность мате-

матической модели сверхразмерной электродинамической системы, но и оптимизировать ее параметры [2А, ЗА].

Наряду с задачами исследования схем генерации и создания сверхширокополосного излучателя в СВЧ-диапазоне не менее важной проблемой является прогнозирование последствий воздействия широкополосного ЭМИ на характеристики технических объектов. Например, на надежность и качество функционирования средств связи. Широкое использование в радиоэлектронных устройствах интегральных микросхем, работающих при малых напряжениях и токах, повысило возможности аппаратуры по сравнению с образцами, разработанными в 50—60 годы, на много порядков. Однако так же на много порядков возросла и ее чувствительность к внешним воздействиям [22]. Помимо электрического повреждения и необратимого выхода из строя элементной базы стали наблюдаться обратимые эффекты: временное нарушение работоспособности из-за сбоя в работе, появление ложных сигналов, утрата рабочей информации. Критические значения энергии, способные вызвать повреждение полупроводниковых устройств, оказались в пределах от 10"³ до 10~⁷ Дж при длительности импульса ~5 нсек, а сбои при работе микросхем наблюдались при энергии, не превышающей 10~⁹ Дж [ 20]. Опасность широкополосного сигнала заключается в том, что его влияние практически невозможно устранить полностью, так как он, в той или иной степени, перекрывает полосу частот, в которой работает радиоэлектронная аппаратура [5,21].

Эта проблема стала особенно актуальной в последние десятилетия, что напрямую связано с

1. появлением мощных источников ионизирующего излучения (ИИ) искусственного происхождения;

2. развитием космической техники, позволяющей вывести на околоземную орбиту спутники различного назначения;

3. общим уровнем развития техники, особенно электроники, ее миниатюризацией и проникновением практически во все сферы человеческой деятельности.

Непосредственному воздействию «обычного» ЭМИ и средствам защиты от этого воздействия посвящено достаточно много работ [5, 22 и ссылки в них]. Существенно менее известным являются так называемые вторичные электромагнитные эффекты (ВЭМЭ), возникающие при облучении различных объектов интенсивными потоками рентгеновского и/или гамма-излучения и представляющие собой суперпозицию из нескольких сверхши-рокополосньгх сигналов [23—24].

В основе ВЭМЭ лежит процесс генерации электромагнитных полей потоком электронов, эмитированных с внешних и внутренних поверхностей облучаемого объекта, и фотокомптоновскими электронами, возникающими в веществе облучаемой системы. Экспериментальное изучение ВЭМЭ является весьма сложной задачей и требует больших материальных затрат

и времени, а интерпретация полученных результатов часто бывает затруднена, особенно если учесть, что объекты подвергаются совместному действию комплекса радиационных и электромагнитных факторов. Довольно часто выходом из положения является численное моделирование, которое имеет определенные преимущества в отношении быстроты, экономичности, а иногда и точности по сравнению с реальным экспериментом. Детальный количественный анализ таких моделей становится важным элементом проектирования, который позволяет проанализировать возможности создаваемых устройств и систем, выбрать оптимальный вариант конструкции.

Необходимость обеспечения стойкости космических комплексов и их систем с учетом вторичных ЭМ эффектов, создания мощных сверхширокополосных СВЧ-генераторов и развития расчетно-теоретических методов исследования генерации ЭМ излучения СВЧ диапазона ставит важную и актуальную задачу по созданию физико-математических моделей и эффективных методов для изучения существенно нестационарных процессов генерации электромагнитного излучения и формирования электронных потоков в сложных трехмерных системах.

Эти модели должны описывать следующие физические процессы [23]:

появление заряженных частиц (электронов) в системе и формирование источников электрического тока;

динамику электронов в электромагнитных полях, генерацию и распространение короткоимпульсного излучения, его взаимодействие с электронными потоками и окружающими объектами;

образование импульсов тока и напряжения от ЭМ полей, проникающих в кабельные линии (для оценки воздействия ВЭМЭ на радиоэлектронную аппаратуру);

распространение ЭМИ в среде, которая в общем случае является неоднородной и гетерогенной (для определения параметров электромагнитного поля, попавшего от источника на детектирующее устройство или мишень).

Целью диссертации было построение системы физико-математических моделей и разработка на ее основе методики, позволяющей моделировать процессы генерации короткоимпульсного электромагнитного излучения электронными потоками, прогнозировать ВЭМЭ в типовых космических аппаратах и исследовать новые перспективные схемы широкополосных генераторов электромагнитного излучения.

В рамках этой задачи в настоящей работе были созданы физико-математические модели для:

определения тока эмиссии электронов, возникающих под действием рентгеновского и гамма-излучения [4А];

самосогласованного расчета динамики электронных потоков и электромагнитного излучения во временной постановке на основе решения системы уравнений Максвелла-Власова [5А];

оценки наведенных импульсов тока и напряжения в кабельных линиях;

исследования процессов дифракции электромагнитных полей на произвольной гофрировке поверхности волновода [2А, ЗА];

определения пространственно-временного распределения ЭМ полей в неоднородных средах [6А].

На основе этих моделей построена вычислительная технология [5А], предназначенная для прогнозирования вторичных электромагнитных эффектов в аэрокосмической технике с учетом трехмерной формы облучаемых объектов и всех существенных процессов, отвечающих за их образование, а также для расчетно-теоретического изучения генерации короткоимпульсно-го ЭМ излучения СВЧ-диапазона. С помощью разработанной методики были проведены исследования:

формирования ЭМИ, генерированного системой, в типовом космическом аппарате [5А.7А];

образования внутреннего ЭМИ в приборных отсеках аэрокосмической техники [5А];

новой схемы генерации направленного сверхширокополосного ЭМИ с использованием фотоэмиссионного сверхсветового источника электронов, образующегося при эмиссии частиц с пограничной поверхности между вакуумом и средой под действием ионизирующего излучения [1А,8А];

взаимодействия ЭМ излучения с брэгтовскими решетками в планар-ном волноводе [2А, ЗА, 17А, 18А];

генерации СВЧ-излучения по схеме мазера на свободных электронах (МСЭ) с ленточным электронным пучком и одно- и двухмерной обратной связью, реализуемой с помощью брэгговских зеркал [18А];

распространения ЭМ излучения в неоднородных средах [7А, 19А].

Научная новизна работы состоит в следующем

Создана система моделей и разработан метод прогнозирования ВЭМЭ в объектах, облучаемых потоками рентгеновского и гамма-излучения. Исследовано образование ВЭМЭ в типовом космическом аппарате.

Исследована принципиально новая схема генерации направленного сверхширокополосного ЭМИ СВЧ диапазона на основе плоского ускоряющего диода с сетчатым анодом, облучаемого под некоторым углом потоком ионизирующего излучения. В частности:

1. Показано, что параметры излучателя имеют скейлинг, который определяется скоростью нарастания тока эмиссии электронов с катода, шириной ускоряющего промежутка и приложенным напряжением.

2. Определены предельные значения плотности анодного тока и параметров электромагнитного излучения, которые могут быть получены в такой системе.

3. Предсказан и теоретически исследован эффект динамического ограничения предельного тока электронов, который получил экспериментальное подтверждение.

4. Проведен анализ и сравнение результатов численного моделирования с экспериментальными данными, полученными в экспериментах [26] по созданию сверхширокополосного ЭМИ с запиткой от точечного лазер-плазменного источника мягкого рентгеновского излучения (РИ).

Разработана модель взаимодействия ЭМ излучения с одномерными брэгтовскими решетками.

Проведено моделирование генерации СВЧ-излучения в мазере на свободных электронах с распределенной обратной связью на основе самосогласованного решения системы уравнений Максвелла—Власова во временном представлении методом частиц в ячейках.

Для ЭМ зондирования скважин, используемого в геофизических исследованиях, предложен и реализован метод одновременного расчета каротажных кривых для нескольких частот, основанный на решении уравнений Максвелла во временном представлении. Показано, что метод позволяет получать значения ЭМ полей с высокой точностью в высококонтрастных средах.

Научное и практическое значение работы

Научное и практическое значение разработанных физико-математических моделей заключается в их использовании для

1. расчета параметров ЭМ полей, возникающих в результате воздействия ионизирующего излучения на объекты аэрокосмической техники, и оценке последствий этого воздействия на радиоэлектронную аппаратуру,

2. исследований новых физических явлений и перспективных схем генерации СВЧ-излучения, формулировке на их основе новых научных и технических концепций.

Созданная в процессе выполнения диссертационной работы система моделей и метод для расчета ВЭМЭ, возникающих при облучении объектов сложной формы потоками ионизирующего излучения, использовалась при прогнозировании ЭМ полей в типовом космическом аппарате, подвергшемся воздействию импульса мощного рентгеновского излучения, и оценке последствий такого воздействия на радиоэлектронную аппаратуру.

Результаты исследований новой схемы генерации направленного сверхширокополосного ЭМИ на основе сверхсветового фотоэмиссионного импульса тока могут быть использованы при разработке мощных высокоэффективных широкополосных генераторов сантиметрового и миллиметрового диапазонов. Развитие теории таких генераторов для ускоряющих систем с конечными предельными токами позволило создать макет «элементарного сверхсветового» генератора, который используется при подготовке и проведении экспериментальных исследований в институте лазерно-физических исследований РФЯЦ — ВНИИЭФ.

Результаты расчетов взаимодействия ЭМ волн с одномерными бреггов-скими решетками используются при разработке электродинамической системы и системы вывода излучения в МСЭ с распределенной обратной связью, для планирования и анализа экспериментов на установке «ЭЛМИ» (ИЯФ им. Г.И. Будкера СО РАН), перспективной разработке мощного 4-х канального МСЭ.

Расчет ЭМ полей в неоднородных и анизотропных средах на основе уравнений Максвелла во временном представлении позволяет получить каротажные кривые в геофизических исследованиях при односкважинном высокочастотном зондировании сразу на наборе из нескольких заданных частот. Такой подход снижает совокупные временные затраты на вычисления и позволяет проводить моделирование с высокой точностью в высококонтрастных средах.

Внедрение разработанной методики моделирования вторичных электромагнитных эффектов в процесс проектирования и отработки систем космической техники может внести существенный вклад в создание надежных космических комплексов и нового поколения средств связи.

Достоверность получаемых расчетных результатов подтверждается сравнением тестовых расчетов с аналитическими решениями и данными, полученными по другим моделям и методам, сравнением с результатами экспериментов.

Основные результаты, выносимые на защиту

1. Физико-математические модели для описания процессов, определяю
щих генерацию короткоимпульсного ЭМИ электронными потоками:

а) расчетно-аналитическая модель электронной эмиссии;

б) набор моделей различной размерности для самосогласованного рас
чета генерации электромагнитного излучения и формирования элек
тронных пучков, в основе которых лежит решение системы уравне
ний Максвелла—Власова методом частиц в ячейках и конечно-
разностным методом.

2. Метод моделирования вторичных электромагнитных явлений, возникающих при облучении трехмерных объектов потоками рентгеновского и гамма-излучения, а также результаты расчетов ЭМИГС и ВЭМИ в космическом аппарате, проведенных с помощью разработанных методов и созданного комплекса программ.

3. Обобщение физико-математической модели излучателя сверхширокополосного направленного ЭМИ на основе сверхсветового фотоэмиссионного импульса электронного тока на системы с конечными предельными токами.

4. Результаты анализа и моделирования экспериментов по исследованию характеристик широкополосного фотоэмиссионного СВЧ-генератора,

проведенных в РФЯЦ — ВНИИЭФ с использованием лазер-плазменного источника мягкого РИ.

5. Физико-математическая модель взаимодействия ЭМ волн с электродинамическими системами, состоящими из отрезков гофрированных волноводов, и результаты моделирования генерации СВЧ-излучения в МСЭ с распределенной обратной связью, реализованной на основе такой системы.

6. Метод одновременного расчета каротажных кривых для набора или полосы частот при электроразведке скважин и результаты моделирования распространения ЭМ полей в неоднородных и анизотропных средах на основе решения уравнений Максвелла во временном представлении.

Личное участие автора

Выбор направления работ в целом, постановка задач и способов решения, анализ и обобщение результатов, формулировка выводов, представленных к защите, принадлежат автору. Автором были выдвинуты принципиальные идеи по реализации методики для прогнозирования ВЭМЭ и моделированию генерации СВЧ-излучения, и выработаны подходы к ее созданию. Он руководил созданием программ, их тестированием, участвовал в проведении расчетов.

Одномерная по пространственным переменным программа РЕМР для самосогласованного решения системы уравнений Максвелла-Власова конечно-разностным методом была создана лично автором.

Он принимал участие в разработке:

а) двумерной программы ЕМС25Д для самосогласованного решения
системы уравнений Максвелла—Власова методом частиц в ячейках с уче
том кинетики ионизации (совместно с Е.В. Диянковой и О.С. Широков-
ской);

б) двумерной программы ЕМС2Д для самосогласованного решения
системы уравнений Максвелла—Власова конечно—разностным методом
(совместно с Диянковой Е.В.),

с) трехмерной программы ЕМСЗД для решения уравнений Максвелла (совместно с А.В. Вронским, И.Ю. Глухих, Ю.Г. Сырцовой);

д) трехмерной программы GEMC для решения уравнений Максвелла в неоднородных и анизотропных средах (совместно с А.В. Вронским, Ю.Г. Сырцовой).

Автором разработана расчетно-аналитическая модель для определения параметров электронной эмиссии, данные для которой были получены в результате расчетов методом Монте-Карло по программе «ПРИЗМА», проведенных по заданию автора ЯЗ. Кандиевым.

Развита и обобщена теория фотоэмиссионных сверхширокополосных генераторов СВЧ-излучения на случай ускоряющих систем с конечными предельными токами. Проведен анализ экспериментов по проверке прин-

ципов генерации ЭМИ сверхсветовым импульсом фотоэмиссионного электронного тока с запиткой от точечного лазер-плазменного источника мягкого РИ.

Предложен метод и создана программа для определения параметров взаимодействия ЭМ волн с электродинамическими системами, состоящими из волноводов с гофрированной поверхностью. Исследован процесс генерации СВЧ-излучения в МСЭ с распределенной обратной связью, реализованной на основе брэгговских решеток.

Предложен и реализован метод для определения решения уравнения Гельмгольца в неоднородных и анизотропных средах на основе решения уравнений Максвелла во временном представлении, предназначенный для одновременного расчета многочастотных каротажных кривых при электроразведке скважин.

Работы по исследованию ВЭМЭ, генерации ЭМ полей сверхсветовыми источниками и распространению ЭМ волн в неоднородных средах проводились совместно с Ю.Н. Лазаревым. Всем участникам работ автор выражает свою искреннюю признательность.

Апробация работы

Результаты, изложенные в диссертации, получены автором в рамках работ, проводимых в РФЯЦ — ВНИИТФ по развитию расчетно-теоретических методов исследования генерации ЭМИ СВЧ диапазона и созданию мощных СВЧ-генераторов, а также целевыми программами работ по обеспечению стойкости космических комплексов и их систем с учетом вторичных ЭМ эффектов.

Материалы диссертации докладывались автором на семинарах в РФЯЦ — ВНИИТФ, РФЯЦ — ВНИИЭФ, НИИИТ, ИЯФ СО РАН, ИПФ РАН, ЦФТИ МО, Лос-Аламосской национальной лаборатории, Сандийской национальной лаборатории, российско-американских семинарах по математическому моделированию.

Результаты, изложенные в диссертации, были представлены в более чем 20 докладах на следующих конференциях: Второй Всесоюзной конференции по радиационной и электромагнитной стойкости (г. Челябинск-70, 1990 г.), Первой Всесоюзной научно-технической конференции по научно-методическим основам испытаний военных объектов на воздействие электромагнитных импульсов (г. Загорск, 1991 г.), Забабахинских Научных Чтениях (г. Снежинск, 1994, 1996, 1998, 2000, 2002 гг.), Харитоновских Научных Чтениях (г. Сэров, 1999), «Strong Microwaves in Plasmas» (Нижний Новгород, 1999г.), Звенигородской конференции по УТС (Звенигород, 1996, 1998,2000,2002), SPIE International Conference «Intense Microwave Pulses» (Denver 1996, San Diego 1998, USA), Asian Symposium on Free Electron Laser (1999, Taejon, Korea), European Electromagnetics (Euroem 2000, Scotland UK), SPIE International Conference «Subsurface and Surface Sensing

Technologies and Application» (San Diego USA, 2001), 24th International Free Electron Laser Conference (FEL2002, Argonne, USA), 14th International Conference on High Power Beams (2002 Albuquerque, USA), American Electromagnetics (AMEREM2002, USA, Annapolis).

Публикации. Список трудов соискателя по теме диссертации содержит 46 пунктов. Из них 17 статей, 13 научно-технических отчетов и препринтов, 16 докладов на международных и всероссийских конференциях.

Структура и объем диссертации

Расчетно-аналитическая модель электронной эмиссии под действием гамма- и рентгеновского излучения

В результате взаимодействия фотонов с веществом, на границе облучаемых объектов с вакуумом (воздушной средой), возникает электронная эмиссия, приводящая к появлению электрического тока, который является источником электромагнитных полей, генерируемых облучаемой системой. Поскольку этот эффект лежит в основе формирования электрического тока и, следовательно, образования ЭМИГС и ВЭМИ, то для адекватного моделирования этих эффектов требуются модели и соответствующие вычислительные средства по расчету электронной эмиссии под действием ИИ во всем диапазоне его энергий и углов падения на облучаемую поверхность. Данных, имеющихся в литературе [60- 72 и ссылки в них], недостаточно для того, чтобы использовать их при задании источников электронного тока в программах, предназначенных для расчета ЭМП и динамики электронной плазмы, так как в них отсутствует информация

1) по выходу электронов с энергией менее 20 кэВ;

2) по электронной эмиссии при больших углах падения фотонов и ее зависимости от толщины облучаемой мишени d;

3) по спектрально-угловому распределению эмитированных частиц.

В настоящем разделе диссертации представлены результаты построения расчетно-аналитической модели электронной эмиссии из металлических пластин различной толщины (алюминиевой Z=13 и танталовой Z=73), образующихся при наклонном падении фотонов (00=0...85 ) с энергиями от 1 кэВ до 7 МэВ, которая в дальнейшем была использована при задании поверхностных источников электронов при моделировании ВЭМЭ.

Наиболее распространенное приближение для энергетического и углового распределения эмитированных электронов под действием моноэнергетических фотонов представлено в работах [42,65] где Y - выход вторичных электронов с энергией є под полярным углом ЦІ и азимутальным (р; 90- угол падения фотонов на мишень; R - пробег электрона.

Эта формула хорошо согласуется с экспериментальными данными в области энергий, где основным процессом образования электронов является фотоэффект. При появлении комптоновского рассеяния зависимость (1.1) может существенно нарушаться и нуждаться в корректировке.

На сегодняшний день наиболее мощным средством для расчета прохождения рентгеновского (гамма) излучения и заряженных частиц через вещество является метод Монте-Карло [60]. Программа "ПРИЗМА" [ 75], в которой он реализован, использует для моделирования прохождения заряженных частиц метод катастрофических соударений [130] и учитывает следующие виды взаимодействия фотонов с веществом: когерентное рассеяние; некогерентное (комптоновское) рассеяние; фотопоглощение на K,L оболочках; образование Оже-электронов; образование электронно-позитронных пар, тормозное излучение.

Параметры внешнего воздействия

В данной главе представлены результаты моделирования генерации сверхширокополосного электромагнитного импульса, возникающего на космическом аппарате при воздействии на него рентгеновского и гамма-излучения. В основе использованной для этого методики лежит иерархическая система математических моделей, построенная на уравнениях Максвелла-Власова, которая описана в предыдущей главе. Однако задание системы уравнений и возможных типов начальных и граничных условий еще не в полной мере определяет ММ, так как существуют некоторые дополнительные факторы, которые требуют качественного и количественного определения. В частности, к ним относятся модели исследуемого объекта. Поскольку большинство технических систем имеет сложное устройство, то их детальное описание в математической форме вызывает значительные трудности, и до настоящего времени не существует готовых, формировавшихся в течение длительного времени моделей объектов (МО), используемых при исследованиях ВЭМЭ. Соответственно, одной из первых задач, которые требуется решить, оказывается задача создания идеализированных моделей изучаемых технических объектов, пригодных для использования в рамках построенной математической системы и отражающих его свойства и геометрию.

Процесс моделирования может быть условно разбит на следующие этапы: задание параметров внешнего воздействия, определение идеализированной модели объекта и ее элементов; расчет объемных и поверхностных источников электронов; исследование процессов генерации ЭМ излучения и формирования электронного тока по самосогласованным кинетическим моделям, вычисление электромагнитных полей для трехмерной модели объекта, оценка наводок в кабельных линиях.

class3 СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫЙ ФОТОЭМИССИОННЫЙ источник

НАПРАВЛЕННОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ СВЧ-ДИАПАЗОНА class3

Исследование генерации электромагнитного излучения сверхсветовым импульсом тока в предельных режимах

В лабораторных условиях эмиссионный ток с высокой энергией электронов можно получить путем разъединения процессов образования электронов и формирования сверхсветового импульса. Световое или ионизирующее излучение, способное вызвать эмиссию электронов, используется только для инициирования эмиссии электронов с минимально возможной энергией, а окончательную энергию порядка ста килоэлектронвольт электроны получат в результате ускорения во внешнем электрическом поле. Простейшая реализация ССИ представляет собой плоский ускоряющий диод с сетчатым анодом, облучаемый под некоторым углом потоком ионизирующего излучения (Рис. В.4) [116]. Под действием фронта инициирующего излучения на фотокатоде возникает сверхсветовой импульс тока эмитированных электронов. Далее электроны ускоряются в межэлектродном зазоре, пролетают через сетчатый анод и формируют над ним сверхсветовой импульс тока ускоренных электронов. Таким образом, над сеткой-анодом образуется сфазированно излучающий дипольный слой, который представляет собой практическую реализацию излучателя «электромагнитных снарядов (пуль)» [25-32], обладающих целым рядом привлекательных свойств (направленность, слабая расходимость пучка, более медленный спад ЭМ энергии по сравнению с обычной сферической волной и т.д.). Изменяя параметры излучающего элемента (диода), выбирая различные источники фотонного излучения и различные источники питания для диода, можно получить довольно широкий спектр устройств, генерирующих направленный сверхширокополосный электромагнитный импульс СВЧ диапазона [115-120, 178, 179, 180].

Излучатели с запиткой от сверхсветового импульса тока интересны тем, что имеют характеристики, которые в других генераторах достигаются с большим трудом, при использовании сложной конструкции или не могут быть реализованы в принципе.

1. Излучение когерентно и направленно, то есть излучаемая энергия Q пропорциональна площади излучающей поверхности S, отсутствует проблема вывода излучения.

2. Излучается широкополосный видеоимпульс малой длительности, что приводит к увеличению протяженности зоны, где энергия излучения спадает медленнее, чем MR1.

3. Высокий теоретический к.п.д - доля электростатической энергии конденсатора, переходящая в энергию ЭМ излучения, составляет порядкаJ(y-l)/(y + l) (даже при небольших начальных напряжениях 100 кВ это более десятка процентов, хотя учитывается только первый импульс излучения).

4. Эффективность излучения увеличивается обратно пропорционально длине волны Л генерируемого излучения.

Последнее свойство вообще является уникальным, у подавляющего большинства СВЧ-генераторов наблюдается противоположная тенденция.

Особенностью рассматриваемой излучательной системы (рис. В.4) является то, что в ней образуются две электромагнитные волны (далее будем называть их «направленная» и «волноводная»), взаимодействие которых с эмитированными электронами определяет величину анодного тока и параметры дипольного момента электронов над анодом. Направленная электромагнитная волна распространяется в свободном полупространстве над анодом в направлении, зеркальном к падению ИИ (z L, рис.2.2). Ее параметры определяются скоростью изменения дипольного слоя ускоренных в диоде электронов Р,Р (3.6). Сверхсветовой импульс тока, вызванный движением электронов в межэлектродном зазоре, тоже приводит к возбуждению ЭМИ, который распространяется в плоском волноводе, образованном катодом и анодом Поле этого «волноводного» импульса, складываясь с полем пространственного заряда эмитированных электронов, приводит к эффективному уменьшению ускоряющего потенциала в диоде и, соответственно, к уменьшению предельно достижимых значений плотности тока на аноде.

Теория одномерных брэпговских решеток планарной геометрии

Развитие техники сильноточных релятивистские электронных пучков (РЭП) привело к созданию мощных источников миллиметрового излучения, которые характеризуются тем, что в них могут одновременно реализовываться несколько элементарных механизмов возбуждения ЭМ волн (черенковский, доплеровский, переходной и другие), процессы генерации носят многомодовый характер, существенными оказываются эффекты нелинейного взаимодействия пучка с ограниченными в продольном направлении электродинамическими структурами, при которых происходит трансформация волн [187,188]. Усложнились и сами электродинамические структуры, появились новые типы систем в виде отрезков сверхразмерных волноводов с гофрировкой различного типа [98,189,190].

Перечисленные выше особенности не позволяют в полной мере использовать преимущества традиционного подхода к математическому описанию мощных СВЧ-устройств с интенсивными РЭП, основанного на классической теории возбуждения волноводов [50,191] и усредненных уравнениях движения пучка. Одной из проблем является то, что для электродинамической системы (ЭДС) сложной конфигурации тяжело определить собственные функции, по которым проводится разложение решения в ряд, и, соответственно, адекватно провести усреднение уравнений движения в условиях многообразия волновых процессов, особенно на переходной стадии, когда происходит формирование и электронного пучки, и ЭМ полей. Этих недостатков нет при прямом моделировании системы «пучок+ЭДС» с помощью численного самосогласованного решения системы уравнений Максвелла-Власова методом крупных частиц [132,145-147,192], когда многомодовость взаимодействия учитывается автоматически. Так как многомодовость предполагает существование конечной полосы частот, то фактически она является частным случаем генерации широкополосного ЭМ излучения, и представляется очень привлекательным описать их эволюцию во времени с помощью моделей, предназначенных для расчета короткоимпульсного (широкополосного) ЭМ сигнала.

Однако при таком подходе неизбежно возникает вопрос об определении свойств ЭДС и проверке адекватности ее конечно-разностной модели, для чего необходимо найти альтернативный метод решения задачи о взаимодействии электромагнитного излучения с этой структурой. Математические модели [98,99, 193,195], традиционно используемые для описания спектра мод и коэффициентов отражения сверхразмерных электродинамических систем, составленных из участков гофрированных волноводов, основаны на методе связанных мод (МСМ), который носит приближенный характер и в ряде случаев малопригоден для расчета, а тем более для проверки ее конечно-разностной модели. В качестве альтернативного метода для расчета сверхразмерных ЭДС автор разработал метод связанных резонансов (МСР) [100, 101], который основан на решении интегральных уравнений, эквивалентных граничной задаче для уравнений Максвелла в частотном представлении.

На первом этапе расчет и анализ электродинамической системы генератора проводится методом связанных резонансов, определяются ее оптимальные параметры.

На втором этапе взаимодействие электромагнитной волны с электродинамическлй системой моделируется во временном представлении с помощью численного решения уравнений Максвелла конечно-разностным методом, лежащим в основе прямого моделирования системы «пучок+ЭДС». Результаты сравниваются и подтверждают (или не подтверждают) адекватность использованной конечно-разностной модели.

Такой подход был реализован при моделировании ЭДС мазера на свободных электронах с сильноточным релятивистским пучком ленточной геометрии [91,95,96, 123,192], который в настоящее время разрабатывается на базе ускорителя У-2 (ИЯФ им. Г.И.Будкера СО РАН) с энергий РЭП до 1 МэВ и полным рабочим током до 2 кА [91,95-96,194]. Надо отметить, что для реализации эффективного МСЭ создание электродинамической системы является одной из ключевых проблем. С одной стороны, она должна иметь высокую добротность только для моды, образованной волнами, бегущими под малым углом к направлению движения электронов, обеспечивать пространственную когерентность излучения от разных частей электронного потока и одновременно представлять собой канал транспортировки для сильноточного электронного пучка. Для генераторных схем подобная задача может быть решена при использовании распределенной обратной связи, которая реализуется с помощью брэгговских структур планарной геометрии, представляющих собой отрезки волноводов с одно- и двоякопериодической гофрировкой боковых стенок [122,195,196,197] (рис.4.1).

Постановка задачи

В декартовой системе координат учитывалась симметрия задачи - расчеты проводились для 1/8 части полного пространства (x 0,y 0,z 0) со следующими граничными условиями: на правой, задней и верхней границах - условие выхода волн, для левой и передней границы - условие зеркальной симметрии магнитного поля, для нижней - условие, моделирующее зеркальную симметрию электрического поля. Предполагалось, что скважина имеет радиус /у=10см.

В таблице 5.1 приведены результаты расчетов магнитного поля Яг на оси скважины с проводимостью а = 0ЛСм/м для частоты f0 =5-106 сек"1, нормированные на единичный магнитный момент, для среды с проводимостью а = 0.01 См/м, полученные при импульсном возбуждении источника и методом установления. Отличие от аналитического решения составляет менее 0.2%.

Основной проблемой, с которой сталкиваются при расчете каротажных кривых, является невысокая точность численных методов при расчете ЭМ полей в средах с высокой контрастностью проводимости - отношение проводимостей превышает 100. На рис.5.8 приведены результаты расчетов ЭМ полей для систем с высокой контрастностью проводимости на высоких и низких частотах (получены в одном расчете). Для сравнения на рис.5.86 приведены данные, полученные при решении конечно-разностным методом уравнения (5.2) [215]. Видно, что использованный метод расчета даже для задач с очень высокой контрастностью проводимостей позволяет получать достаточно точные решения с погрешностью менее процента на расстоянии до 2 метров от источника.

Похожие диссертации на Исследование генерации и распространения короткоимпульсного электромагнитного излучения

Особенности распространения сверхкоротких импульсов лазерного излучения в размерноограниченных полупроводниковых структурахКоровай Олеся Васильевна

Новый метод постановки условий излучения для решения задач распространения линейных волн в неоднородных средахПетров Павел Сергеевич

Операторные методы исследования процессов излучения, переноса и взаимодействия частицЖуковский, Константин Владимирович

Исследование свойств синхротронного излучения в периодических магнитных структурах асимптотическими методамиШишанин, Олег Евстропович

Сравнительное исследование гармоник синхротронного излучения классическими и квантовыми методамиДолжин Максим Валентинович

Исследование переходного и квазипереходного излученияСафронов, Александр Николаевич

Теоретическое исследование угловых профилей синхронного излучения. Новые результатыЯровой Артемий Тимофеевич

Метод релятивистской Т-матрицы и непертурбативные эффекты в спектрах излучения атомных системГайнутдинов, Ренат Хамитович

Генерация и распространение излучения в магнитосфере и ионосфере ЮпитераШапошников Владимир Евгеньевич

Особенности распространения и генерации лазерного излучения в многосердцевинных волоконных световодахЛобач, Иван Александрович