Численное моделирование формхфования когерентного юлучения прямолинейных электронных пучков тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ РАДИОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ

Р Г Б ОД

На правах рукописи

1 3 МАЙ 1996 УДК 622.385.6

Ш

КОРНИЕНКО Владимир Николаевич /7' 1

Численное моделирование формирования когерентного излучения прямолинейных электронных пучков.

Специальность 01.04.01 (Техника физического эксперимента, физика приборов, автоматизация физических исследований)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва-1996

Работа выполнена в Институте Радиотехники и Электроники Российской Академии Наук.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук Черепенин В А.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Рошаль А.С. (МИФИ)

кандидат физико-математических наук, доцент Афонин А.М. (МГТУ им.Баумана)

Ведущая организация:

Московский государственный университет им. М.В Ломоносова, физический факультет.

Защита состоится 2в июня 1996 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 002.74.03 при ИРЭ РАН по адресу: 103907, г.Москва, ГСП-3, уя.Моховая, д.11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института Радиотехники и Электроники РАН.

Реферат разослан " ^¿У 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

к.ф.-м.н. (¡уН^- 7 Перцовский М.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность исследования.

В настоящее время все больший интерес привлекает исследование коллективных процессов в различных средах. Особое место здесь занимает проблема формирования когерентного излучения сильноточных электронных пучков. Несмотря на большое число работ в этой области, остаются невыясненными многие важные черты процесса взаимодействия электронов как через ближние поля, так и через поле излучения. Ввиду сложности задач в этой области особое значение приобретает метод численного эксперимента.

Численное моделирование процесса взаимодействия электронных пучков с электромагнитным полем важно как с общефизической точки зрения - для понимания нелинейных процессов когерентного излучения электронных пучков - так и с практической - для расчета электронных приборов с необходимыми характеристиками. Дело в том, что различные аналитические модели позволяют лишь рассмотреть линейные стадии развития неустойчивостей различного типа в системе пучок-поле, тогда как большинство характерных режимов усиления или генерации, особенно в сильноточных устройствах, являются нелинейными и с трудом описываются какими-либо асимптотическими теориями. Характерным примером процессов подобного типа является формирование когерентного излучения сильноточных электронных пучков в открытых электродинамических структурах, рассматриваемых в основном в диссертации. Следует отметить, что

этот процесс носит существенно нестационарный характер, обладающий достаточно широкой характерной полосой частот, и не описывается, например, различными численными моделями с медленно-меняющимися амплитудами полей. Таким образом, развитие численных моделей типа рассмотренных в диссертации актуально и интересно как с практической, так и общетеоретической точек зрения.

Цель работы.

Построение численной модели и исследование методами вычислительного эксперимента процессов формирования электромагнитного поля при когерентном излучении прямолинейных электронных пучков в сверхразмерных электродинамических структурах.

Научная новизна.

В диссертации разработан на основе интегральных соотношений новый вариант численной модели, описывающий нестационарные процессы при взаимодействии электронных пучков с электромагнитным полем в электродинамических структурах открытого типа. С помощью этой модели удалось более корректно исследовать процессы формирования резонансного электромагнитного поля в электродинамических структурах с большими дифракционными потерями, а также рассмотреть когерентное излучение сильноточных прямолинейных электронных пучков в сверхразмерных системах. В работе также найдены режимы увеличения электронного кпд с прямолинейным пучком

при комбинированном с черепковским взаимодействии на нормальном и аномальном эффекте Доплера.

Практическая ценность.

Результаты работы могут быть использованы как в исследованиях электродинамических свойств открытых систем, так и при физическом анализе процесса формирования когерентного излучения сильноточных электронных пучков. Разработанная численная модель может быть применена также в процессе построения приборов черенковского типа со сверхразмерными электродинамическими структурами.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Численная модель, разработанная для решения интегральных уравнений электромагнитного поля в пространственно-временном представлении, позволяет исследовать нестационарные процессы взаимодействия электронных потоков больших энергий с электродинамическими структурами открытого типа.

2. В поле излучения из открытых электродинамических структур существенный вклад могут вносить токи, возбуждаемые на их внешней поверхности.

3. Алгоритм, использующий интегральные уравнения для запаздывающих потенциалов электромагнитного поля, позволяет получить устойчивый метод вычисления излучения из открытых электродинамических структур.

4. В сильноточных черепковских генераторах переходное когерентное излучение в приколлекторной области может приводить к образованию обратного потока электронов.

5. Использование режимов динамического резонанса на нормальном и аномальном эффекте Доплера позволяет существенно увеличить КПД генераторов черенковского и дифракционного типа.

Апробапия работы.

Основные результаты работы были представлены на:

Всесоюзном научном семинаре "Математическое моделирование и применение явлений дифракции" (Москва, МГУ, 24-25 мая 1990 г.)

X Всесоюзном семинаре "Волновые и колебательные явления в электронных приборах О-типа" (Ленинград, 38-30 ноября 1990 г.)

I, II и III Всесоюзных школах-семинарах "Физика и применение микроволн" (Москва, 1991, 1993, 1995 гг) IV Всесоюзной школе-семинаре "Волновые явления в нелинейных средах" (Москва, 1994 г.)

International Simposium "Physics and Engineering of Millimeter and Submillimeter Waves" June 7-10, 1994, Kharkov, Ukraine. IEEE International Conference on Plasma Science. 5-8 June 1995, Madison, Wisconsin. USA

Всероссийском Семинаре по физике микроволн (Нижний Новгород, 1996 г.).

По материалам диссертации опубликовано 13 печатных работ [1-13].

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и библиографии из 80 наименований. Диссертация содержит 162 страницы и 86 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

В первой главе содержится обзор литературы, посвященной проблемам составления численных схем для моделирования пучков заряженных частиц и электромагнитного поля. Проведен сравнительный анализ различных вычислительных схем для расчета электромагнитного поля. Показано, что оптимальным методом для рассмотрения открытых электродинамических структур является метод интегральных уравнений. Численные алгоритмы, полученные на их основе, не содержат многих счетных эффектов, возникающих при применении конечно-разностных схем. Это важно при анализе сверхразмерных электродинамических структур, когда характерные продольные и поперечные размеры систем много больше рабочей длины волны. Рассмотрена проблема разделения полного электромагнитного поля на увлекаемые и излучаемые поля и показано, что для раздельного изучения формирования увлекаемых и излучаемых полей наиболее удобной является постановка задачи в терминах интегральных уравнений для электромагнитного поля в пространственно-временном представлении.

Вторая глава посвящена разработке численной модели взаимодействия электронного потока и электромагнитного поля на основе интегральных уравнений в пространственно-временном представлении. Аналитически получены некоторые частные решения этих уравнений для осесимметричного и двумерного случаев, использование которых в численном алгоритме существенно снижает требования на объем оперативной памяти ЭВМ, применяемых для моделирования. Обсркдаются проблемы численной реализации такой модели, причины возникновения различных типов численных неустоичивостей, а также способы их устранения. Именно, показано, что наиболее часто при расчете открытых электродинамических структур возникает два типа неустойчивости, связанных с дискретной аппроксимацией граничной поверхности. Одна возникает из-за численной связи внешней и внутренней задач дифракции, другая определяется геометрией структуры и наличием в ней добротных высокочастотных электромагнитных колебаний. Показано, что при решении нелинейных нестационарных задач взаимодействия электронного потока и электромагнитного поля в атекфо-динамических структурах достаточно сложной формы для подавления численных неустоичивостей оптимальным является введение в алгоритм вычислений фильтра высоких частот. В качестве примера использования предложенной модели рассматриваются особенности излучения электромагнитного поля из отрезка гладкого волновода с конечной толщиной стенки. Показано, что для электродинамических структур открытого типа поверхностные токи, возбуждаемые на внешней стороне структур, могут

существенно изменить характеристики поля излучения, и, таким образом, их учет имеет принципиальное значение.

В третьей главе описывается алгоритм вычисления полей на основе интегральных уравнений для запаздывающих потенциалов. Сделан переход от поверхностных источников поля к объемным. В результате такого подхода становится возможным введение во внутреннем объеме электродинамической структуры с идеально проводящей поверхностью фиктивных токов и зарядов, величины которых выбираются из условия равенства нулю электромагнитного поля во внутреннем объеме. Благодаря этому приему удается исключить численную связь внешней и внутренней задач дифракции. В качестве тестовой рассмотрена задача о возбуждении коаксиальной линии конечной длины электронным сгустком. Продемонстрировано отсутствие численной неустойчивости первого типа при использовании предложенного алгоритма.

Четвертая глава посвящена исследованию нестационарных процессов при черепковской генерации электромагнитных колебаний сильноточными электронными пучками. Использовались алгоритмы, описание которых дано в предыдущих главах. Предложен метод определения предельного и пускового токов для электродинамических структур конечных размеров. Рассмотрена эволюция спектра генерируемых колебаний при увеличении тока пучка. Прослежено обогащение первоначально гармонического колебания высшими временными гармониками в существенно нелинейных режимах генерации. Исследован режим двухчастотной генерации, возникающий в системе при появлешш потока обратных электронов. Проанализированы фазовые портреты

электронного потока в различные моменты времени. Показано, что определяющую роль в образовании электронов, движущихся в сторону7 катода, играет переходное излучение электронных сгустков, возникающее в приколлекторной области.

В пятой главе на основе кинематической модели (без учета увлекаемых полей) анализируется влияние ведущего магнитного поля на процесс энергообмена в релятивистских черенковских генераторах. Исследован режим комбинированного взаимодействия электронов с замедленной неоднородной волной, при котором помимо черенковского возникают взаимодействия на нормальном и аномальном эффекте Доплера. Показана их оптимизирующая роль для черенковского взаимодействия. Определен способ выбора величины ведущего магнитного поля для обеспечения повышения КПД устройств черенковского типа. Физическая картина этого процесса следующая. При черенковском взаимодействии в электронном потоке образуется динамический разброс скоростей. В • существенно нелинейных режимах изменение продольной скорости и энергии весьма значительно и неодинаково для электронов с различными начальными фазами, что приводит к образованию нескольких групп электронов. Циклотронное взаимодействие с группой ускорившихся частиц приводит к уменьшению их продольной скорости, что возвращает эти частицы в синхронизм с основной волной. Изменяя величину ведущего магнитного поля, можно осуществить циклотронное взаимодействие либо с группой ускорившихся частиц, либо с замедленными электронами. И в том,

и в другом случае кпд черенковского взаимодействия увеличивается.

В заключении голожены основные результаты, полученные в работе:

1. На основе интегральных уравнений электромагнитного поля в пространственно-временном представлении разработана численная модель для исследования нестационарных процессов взаимодействия сильноточных электронных пучков с аксиально-симметричными электродинамическими структурами открытого типа. Исследованы численные неустотивоети, присущие модели и разработаны методы их устранения.

2. Показано. что в поле излучения; из открытых электродинамических структур существенный вклад могут вносить токи, возбуждаемые на их внешней поверхности.

3. Разработан алгоритм, использующий интегральные уравнения для запаздывающих потенциалов электромагнитного поля, позволивгшш устранить численную неустойчивость, возникавшую за счет связи внутренней и внешней задач дифракции.

4. Исследованы режимы формирования черепковской генерации сильноточными электронными пучками. Показано, что переходное излучение в приколлекторной области может приводить' к образованию обратного потока электронов.

5. Изучена оптимизирующая роль циклотронных резонансов в релятивистских устройствах черенковского типа. Показано, что КПД таких устройств при оптимальном выборе ведущего магнитного поля может быть увеличен до 50%'.

- 10 -Список публикаций.

1. Бугаев С.П., Власов А.Н., Канавец В.И., Климов АИ., Копенкин АД., Корниенко В.Н., Кошелев В.И., Попов ВА, Черепенин В.А Релятивистские дифракционные генераторы. //Препринт №44 Томского научного центра Сибирского отделения АН СССР. Томск, 1989. -43 с. !. Власов А.Н., Канавец В.И., Корниенко В.Н., Черепенин ВА. Проект 1.12. Исследование возможностей получения когерентного излучения релятивистских электронных потоков в сверхразмерных электродинамических сруктурах. /ФИЗИКА МИКРОВОЛН: Сб. отчетов по научным проектам МНТП России "Физика микроволн", том 1, стр.77-83. Нижний Новгород, 1996 (в 2-х томах).

Корниенко В.Н., Пикунов В.М., Черепенин ВА. Численная модель для исследования нестационарных процессов взаимодействия интенсивных электронных пучков и электромагнитны?: полей в электродинамических структурах с дифракционными потерями. //Радиотехника и Электроника. -вып. 1. -1994. С.141-147.

Власов АН., Корниенко В.Н., Черепенин В А. Повышение электронного КПД релятивистских черепковских генераторов при комбинированном взаимодействии. //Радиотехника и Электроника. -вып.З -1995. С. 481-490.

Бугаев С.П., Власов А.Н., Канавец В.И., Климов АИ., Копенкин АД., Корниенко В.Н., Кошелев В.И., Попов В А, Черепенин В А. Релятивистские дифракционные генераторы.

- и -

/сб. Релятивистская Высокочастотная Электроника. Материалы VI семинара: Свердловск, 16-1S.V.1989. -Выпуск 6. -Горький. -1990. -С 185-105.

6. Власов АН., Корниенко В.Н., Кубарев ВА., Черепенин В.А Оптимизирующее влияние ведущего магнитного поля в приборах, основанных на резонансном рассеянии и в релятивистских дифракционных генераторах. //Электронная техника, серия 4 (Эле1сгроБакуумные и газоразрядные приборы). -Вып.3(138). -1992. -С.11-13.

7. Vlasov A.N.. Cherepenin У.А., ICornienko Y.N. Efficiency improvement in relativistic devices with linear electron beams by combined interaction. //SPIE Proceedings. Intense Microwave Pulses III, vol 2557, 1995, p. 170-17S.

8. Vlasov A.N., Cherepenin V.A., Kornienko V.N.. Dynamic Cyclotron Resonances in Relativistic Devices with Linear Electron Beams. - IEEE International Conference on Plasma Science. //Conference Record - Abstracts. 5-8 June 1995. Madison, Wisconsin, USA, p. 235.

9. Власов АН.. Корниенко B.H.. Исследование увлекаемых полей в конечных сверхразмерных электродшгамических структурах. /Труды Всесоюзной школы-семгагара "Физика и применение микроволн": 22-27 мая 1991, МГУ, физфак, 1991. Часть 1. С.168-171.

10. Власов АН., Корниенко В.Н.. Влияние циклотронных резонансов на энергообмен в релятивистских дифракционных устройствах. /Труды Всесоюзной школы-

семинара "Физика и применение микроволн": 22-27 мая 1991. МГУ, физфак, 1991. Часть 1. С.26-27.

11. Власов АН., Канаьец В.И., Корниенко В.Н.. Исследование увлекаемых полей при дифракционном излучении релятивистского электронного потока. /Тезисы докладов Всесоюзного научного семинара "Математическое моделирование и применение явлений дифракции", Москва, 24-25 мая 1990. С. 34-25.

12. Власов А.Н., Канавеп В.И., Корниенко В.Н.. Влияние магнитного поля на энергообмен в релятивистских дифракционных устройствах. /Тезисы докладов X Всесоюзного семинара "Волновые и колебательные явления в электронных приборах О-типа". 38-30 ноября 1990, Ленинград, 1990. С.80-81.

13. Vlasov A.N., Kornienko V.N., Cherepenin VA. Efficiency Improvement in relativistic devices with linear electron beams by combined interaction. /Internat. Simposium "Physics and Engineering of Millimeter and Submillimeter Waves": June 7-10, 1994, Kharkov. Ukraine. Conf. Proceedings, vol II, p.299-302. Kharkov, 1994.