Электродинамические свойства коаксиального плазменного волновода в конечном магнитном поле тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ



РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ИНСТИТУТ ОБЩЕЙ ФИЗИКИ

На правах рукописи У® 533. 951

СЕЛИВАНОВ Игорь Александрович

ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОАКСИАЛЬНОГО ПЛАЗМЕННОГО ВОЛНОВОДА В КОНЕЧНОМ шштнаи ПОЛЕ

01.04.08 - физика и жвшя пяаэхх

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математическкх наук

Москва 19Э2 г.

- г -

Работа вшоакеаа в йкстктуте об шей физики Российское Акадеиин Еаук.

йаучкьй руководитель: кандидат §изнко-катеаатичесхих наук А. Г. ЕКЗАРУЙЕЦ

Официадыша оппонента: доктор физико-математических наук Л.М. ГОРБУНОВ (ФИАН, г. Цосква) кандидат фязпко-матеиатических науа С.Ю. ГАЛУЗО (МГУ, г. Москва)

Ведущая организация; Институт высоккк температур Российской Акаяашш Наузс

состоится " 16" ноября 1992 г. в 15 часов на заседании"Сцациаикзироаанаого ученого совета К. 003.49.01 Института общей физтс> Российской Акадеши Наук по адресу: г. Москва, ул. Вавилова, 33. _

С диссертацией ксшю ознакоанться в библиотеке Института 0б15ай щазнкк Российской Акадеыги Наук.

Автореферат разослан " " октября «ддо г. Ученый секретарь Специализированного

ученого совата, д. -к. в., проц. ¡¡р.1ссва

Л/с. мл

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

В последнее десятилетие, в связи с успехами высоковольтной импульсной техники и техники формирования мощных релятивистских электронных пучков, вновь начала бурно развиваться плазменная электроника. Плазменная электроника охватывает очень широкий круг как чисто научных, так и прикладных задач.

Особое место в плазменной электронике занимает проблема электромагнитного взаимодействия электронных пучков с плазмой, пучковая неустойчивость и вынужденное излучение пучков в плазме. Эта проблема имеет большое прикладное значение, поскольку она открывает возможность прямого преобразования направленной энергии электронных пучков в энергию когерентного электромагнитного излучения в очень широком диапазоне длин волн, начиная с дециметрового и вплоть, до оптического и даже рентгеновского диапазонов. Поскольку мощности импульсных электронных пучков, используемых для этих целей, очень велики, то и плазменные сильноточные источника электромагнитного излучения могут оказаться очень мощными.

В основе работы подобных источников электромагнитного излучения лекит явление плазмеино-пучковой неустойчивости, состоящее в эффективном возбуждении электромагнитных волн в плазме электронным пучком вследствие вынужденного Черепковского излучения. Использование этого явления в СВЧ электронике создает возможность

усиления замедленной (т. е. с фазовой скоростью, меньшей скорости света с) электромагнитной волны в широком диапазоне частот с большим коэффициентом усиления при относительно небольших токах пучка. Основными достоинствами плазменной СВЧ электроники являются:

. 1. легкая перестройка'частот усиливаемых волн за счет изменения плотности плазмы;

2. возможность освоения в СВЧ приборах токов пучка, преэыаакччх пределькмй вакуумный ток;

'3. достижение высоких мощностей излучения.

Первые1 эксперименты с использованием сильноточных РЗП подтвердили возмолкость Черепковского возбуждения в плазме интенсивно излучаемых регулярных колебаний, а, следовательно, й возможность создания однояодового плазменного СВЧ генератора. Однако, не удалось объяснить в рамках существовавших в .то вреия теоретических представлений некоторые наблюдавшиеся экспериментально явления, а именно:' .

1. в экспериментах с ростом плотности плазмы частота генерируемого СВЧ излучения возрастала, но медленнее, чем предсказывала

1/2

теория (Ы <* Лр ); .

2. отсутствие влияния коэффициента отражения излучения от выходного торца плазменного волновода на работу генератора.

Эти эассперимзнтальиые результаты указывали на .то, что необходимо предпринять дополнительные исследования, по изучению механизма взаимодействия РЭП с собственными колебаниями плазменной за-

медлящей структуры. Прояснить ве этот вопрос мокет лишь создание Черенковского плазменного усилителя ва сильноточном РЭП или же теоретическое и экспериментальное обоснование невозможности его реализации. Создание подобного усилителя позволит более детально выявить механизм взаимодействия электромагнитных волн и сильноточного РЭП в плазменном волповоде. Кроме того, усилитель и сам по себе представляет большой практический интерес из-за принципиальной возмодности управления спектром выходного излучения благодаря значительной широкополосности такого усилителя.

Единственной па сегодняшний день экспериментально реализованной замедляющей структурой Черенковского плазменного мазера на сильноточном релятивистском электронном пучке является круглый металлический волновод, заполиепный трубчатой иагиитоактивкой плазмой малой, но конечной толщины - бр< г^. ,Я. Здесь: в^ - толщина плазменной трубки, Гр - ее сред1гай радиус, а Я - радиус внешней металлической стенки.

Коаксиальный плазменный волновод должен удовлетворять следующим требованиям. Во-первых, он долвеи быть сверхразмерным, т.е. долаен иметь достаточно большое поперечное сечение. Во-вторых, он не должен иметь экранированных плазмой выходных окон В-третьих, недопустимо попадание плазмы в диод сильноточного ускорителя. И, наконец, в-четвертых, возбуждаемая пучком собственная мода должна иметь значительные фазовую, но меньшую скорости света с, и групповую скорости. Для того, чтобы удовлетворить первым трем требованиям используется частичное заполнение плазмой круглого метал-

- в -

лического волновода, а для того, чтобы удовлетворить последнее требование плазма должна быть достаточно плотной, т. е. Пр<*10 см . Кроме того, входной и выходной волноводы должны быть коаксиальными металлическими волноводами, т. е. подобными коаксиальному плазменному.

В связи с этими практическими и научными задачами возникает необходимость точного знания электродинамических свойств данной плазменной замедляющей структуры, а также зависимостей ее дисперсионных характеристик от геометрических параметров , от плотности плазмы Пр и от напряженности внешнего магнитного поля В. Причем, особы»! интерес представляет случай, наиболее близкий к реальный экспериментальным условиям, а именно, случай как конечного внешнего магнитного поля, так и конечных размеров (как поперечных, так и продольных) плазменного заполнения. В этом случае моды ГМ-и Г£-типов не расцепляются, собственные поперечные волновые числа системч являются комплексными, а топография собственных мод очень сложна.

Целью иастояцей работы являлось еоретическое (аналитическое а численное) и экспериментальное исследование электродинамических свойств цилиндрического волновода, частично заполненного трубчатой мапштоактивной плазмой, в широком диапазоне плазменных плотностей, Пр <10исм"3 , и иапряхенностей внешнего магнитного поля, 0.02 Тл< Б ^2.5 Тл.

Научная новизна работы.

Получение точных аналитических решений для задач о дисперсионных свойствах конкретных плазменно-Чйгюлненных систем в большинстве случаев не представляется возможным. Точные аналитические выражения, описывающие дисперсионные свойства подобных систем, могут быть получены лишь в незначительном числе предельных случаев, т.е. при принятии определенных начальных допущений о свойствах систем. Например, в предположении об: однородности плазменного профиля: бесконечной величине внешнего магнитного поля; бесконечно малой величине поперечного размера плазмы и неограниченности плазменного волновода в продольном направлении: отсуствии в плазме температуры я столкновений; и т. п. Поэтому во многих случаях при анализе дисперсионных характеристик плазменных замедляющих структур приходиться прибегать к численному расчету.

Для круглых волноводов со сплошным однородным плазменным заполнением или ве частичным заполнением в виде однородного плазменного шнура, проведение аналитического н численного анализов их дисперсионпых свойств при принятии вышеперечисленных допущений не представляет больших трудностей. Действительно, в первом случае ДУ представляет собой лишь определитель 3-ого порядка, а во втором - 5-ого. Поэтому подобные плазменные замедляющие системы к настоящему времени достаточно хорошо теоретически изучены. Задача же об определении спектров собственных частот коаксиального плазменного волновода (тонкостенная плазменная труГ^оздуррн круглого

волновода) в конечной магнитном поле даже при большой числе исходных упреэдшдах предположений до недавнего времени прахтичаскя не была исследована как аналитически, так и численью. Рассматривались лишь отдельные предельные случаи при большом числе принятая исходных допущений. Дело в том, что ДУ для подобной замедляющей система - а именно она в является на сегодняшний день единственной экспериментально реализованной - представляет собой определитель 10-го порядка, аналитический анализ которого крайне затруднен даже в предельных случаях, а полный численный анализ был затруднен из-за ограниченных вычислительных возможностей . компьютеров.

В данной диссертации был осуществлен аналитический и компьютерный анализ дисперсионных свойств коаксиального плазменного волновода при принятии лишь только трех изначальных допущений о системе, а иаенио:

1. бесконечная протяженность системы в продольном направления;

2. ховодная, бесстоякнозптельпая плазма;

3. однородность профиля плотности плазмы в радиальном и азимутальном направлениях.

В реальных экспериментальных условиях, создаваемая плазма всегда ограничена по длине и всегда имеет неоднородные радиальные профили электронной и ионной плотностей. П этому данная модели является всего лишь хорошим приближением к реальным экспериментальным условиям.

В данной диссертации был проведен компьютерный расчет дисперсионных свойств коаксиального плазменного волновода в конечном магнитном поле при учете радиальной неоднородности плазменного профиля плотности. Тем самым была учтена реально существующая' особенность плазмы, которая может повлиять на дисперсионные свойства плазменной замедляющей системы.

Кроме того, в данной диссертации било проведено компьютерное моделирование задачи о возбуждении коаксиального плазменного волновода конечных поперечных и продольных размеров (1р=5-6.5 см), монохроматической ТЕП волной.

В данной диссертации было проведено экспериментальное исследование дисперсионных свойств коаксиального плазменного волновода конечной длины в широких диапазонах плазменных плотностей и нап-ряжепностей внешнего магнитного поля.

Научная и практическая ценность работы.

Научная и практическая ценность данной диссертации заключается в определении дисперсионных свойств, структур полей и декре-ыентов затухания'собственных азимутально-симметричных код коаксиального плазменного волновода для произвольной напряженности внешнего магнитного поля, плотности плазмы и степени неоднородности ее радиального профиля плотности. Причем, на основе полученного общего дисперсионного уравнения и расчетных програш можно легко проанализировать дисперсионные свойства любой плаз-

менно-наполненной замедляющей системы. Точное же знание электродинамических свойств плазменных замедляющих систем позволяет определить те параметры, при которых возможно эффективное взаимодействие (как Черенковское, так и циклотронное) сильноточных РЭП с собственными модами системы, и, как следствие этого, создание мощных источников когерентного электромагнитноого излучения сантиметрового и миллиметрового диапазонов длин волн.

В диссертации показано, что при слабых магнитных полях (Ое§о0) возникает сильное аномальное затухание собственных мод (как быстрых, так и медленных) в переходных плазменных слоях, в которых выполняется условие Еее^О. Это явление может быть использовано для эффективного нагрева плазмы внешней СВЧ волной на верхнегибридном электронном резонансе. Декремент затухания при

13 * 3

плотности плазмы Пр«10 см составляет величину порядка 1.5 дБ/см для быстрой Тй0, моды и 5-7 дБ/см - для медленной.

Заслуживает также внимания исследованное в данной диссертации явление двухмодового возбуждения на фиксированной частоте коаксиального плазменного волновода. Существует "резонансное" значение плотности плазмы (при фиксированием продольном размере системы), при котором мощность транспортируемой через плазменный волновод СВЧ волны не попадает в выходной излучатель. Это явление может бить использовано в качестве новой методики измерения электродинамической плотности плазмы в установке.

Аппро&щия результатов.

Материалы диссертационной работы докладывались на:

- VIII Международной конференции по мощным пучкам заряженных частиц (BEAMS'90), г. Новосибирск, Российская Федерация, 2-5 июля 1990 г.

- Международной совещании по взаимодействию сильных электромагнитных полей с плазмой (STRONG MICROWAVES IN PLASMAS), г. Суздаль, Российская Федерация, 18-2'j сентября 1990г.

Публикации. Но материалам диссертации опубликовано 10 работ: 6 статей в научных журналах, 1 публикация в виде препринта Института общей физики и 3 публикации в трудах международных конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертация сос эит пз Зведе-ния, пяти Глав и Заключения. Полный объем диссертации сос^вляэт 188 страниц, включая 39 рисунков и список литературы из 55 наименований.

II. СОДЕРЖАНИЙ ДИССЕРТАЦИИ

Диссертация состоит из Введения, пяти Глав и Заключения.

Во Введении представлен краткий обзор работ, посвященных аналитическому и численному исследованиям электродинамических

свойств плазменных волноводов, которые могут быть использованы и используются в качестве замедляющих систем в приборах релятивистской плазменной СВЧ электроники.

В Главе I описывается экспериментальная установка и ее основные системы. Кроне того, здебъ дано подробное .описание экспериментальных диагностик - СВЧ и плазменных.

Г/!аза 2 посвящена теоретическому (аналитическому и численному) исследованию электродинамических свойств коаксиального плазменного. волновода в конечном магнитном поле. Эта Глава состоит из трех Разделов.'

Первый Раздел посвящен теоретическому исследованию дисперсионных свойств коаксиального плазменного .волновода в конечном кагкитком nose в рамках модели холодной, бесстолкновительной, магнитоактивной плазмы, однородно распределенной внутри трубки конечной, толщины с резкими границами. При проведении расчетов предполагалась азимутальная симметрия 1=0.

Во Втором Разделе представлены результаты компьютерного моделирования задачи о возбувденни коаксиального плазменного волновода внешней монохроматической Г£И-волной коаксиального металлического волновода в условиях, когда внутри плазменного волновода могут быть одновременно возбуждены две собственные азимутально-синметричные йоды с различными фазовыми и групповыми скоростями -быстрая и кедленчая ГЯ01 моды. Магнитное поле в этом случае считалось бесконечно сильным, а однородная в радиальном направлении плазменная трубка моделировалась феноменологически.

колебаний тонкостенного трубчатого плазменного цилиндра, возбуждаемого РЭП в волноводе. // Краткие сообщения по физике ФИАН СССР. 1988. вып. 12. С. 59-61.

4. Карбушев Н. И., Колосов П. А., Полозков А. И. Селиванов И. А., Шкварунец А. Г. Влияние неоднородности плазмы ка транспортировку микроволнового излучения через коаксиальный плазменный волновод. // Физика плазмы. 1992. (в печати).

5. Селиванов И. А., Шкварунец А. Г. Возбуждение основной, коды коаксиальной плазменной зачздляшцей структуры Черенковского плазменного усилителя на сильноточном РЭП. // Физика плазкы. 1992. (в печати).

6. I.A. Selivanov, A.V. Fedotov, A.G. Shkvarunets. The excitation of the fundanental node of a co-axial plasiaa slow-wave structure of a PCH-aisplifier. // Proceedings " the eighth international conference on high-power particle beaus (July 2-5, 1990). Novosibirsk, USSR. Vol. 2, P.1301-1307.

7. I.A. Selivanov, Л.7.' Fedotov, A.G. Shkvarunetsu The excitation of the fundanental node of а со-axial plasaa slow-wave structure of a PCH-amplifier. // Proceedings of the International Workshop ' STROKG MICROITVES IN PLASMAS' (September 13-23, 1990). Suzdal, USSR, (в печати).

8. Кузелев M. В., Романов Р. В., Селиванов И. А., Федотов А. В., Шкварунец А. Г. Спектры собственных колебаний коа; иалыюго плазменного^во: ювода в конечном магнитном поле :Препр. ИОФАН СССР N 23. М., 1991. 42 с.

9. Кузелев М. 6., Романов Р. В., Селиванов И. А., Федотов А. В., Шкваруй&ц А. Г. Спектры собственных колебаний коаксиального плазменного волновода в конечном магнитном поле. // Сб. "Труды ИОФАН. Релятивистская плазменная СВЧ электроника". Т. 45 (в печати).

10. Селиванов - И. А., Тараканов В. П., Шкварунец А. Г. Электродинамические свойства коаксиального плазменного волновода в магнитном поле. // Сб. "Труды ИОФАН. Релятивистская плазменная СВЧ электроника". Т. 45 (в печати).