Исследование электромагнитного излучения в коаксиальных и планарно-коаксиальных отражательных триодах

Нгуен Минь Туан

Исследование электромагнитного излучения в коаксиальных и планарно-коаксиальных отражательных триодах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

Нгуен Минь Туан АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Томск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2012 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.20 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Исследование электромагнитного излучения в коаксиальных и планарно-коаксиальных отражательных триодах»

Автореферат диссертации на тему "Исследование электромагнитного излучения в коаксиальных и планарно-коаксиальных отражательных триодах"

На правах рукописи

Нгуен Минь Туан

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В КОАКСИАЛЬНЫХ И ПЛАНАРНО-КОАКСИАЛЬНЫХ ОТРАЖАТЕЛЬНЫХ ТРИОДАХ

01.04.20 - физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

2 2 НОЯ 2012

Томск - 2012

005055618

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

Коваль Тамара Васильевна

Официальные оппоненты:

Медведев Юрий Васильевич доктор физико-математических наук, профессор, Национальный исследовательский Томский государственный университет, профессор кафедры радиоэлектроники

Винтизенко Игорь Игоревич доктор физико-математических наук, Национальный исследовательский Томский политехнический университет, заведующий лабораторией №53, ФТИ, НИ ТПУ

Ведущая организация: Институт сильноточной электроники СО РАН

(г. Томск)

Защита диссертации состоится «05» декабря 2012 года в 15.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.269.05 при Национальном исследовательском Томскиом политехническом университете по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина 2а.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Национального исследовательского Томского политехнического университета по адресух. Томск, ул.Белинского, 53.

Автореферат разослан: «_»................2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат физико-математических

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. СВЧ-генераторы с виртуальным катодом (ВК) -виркаторы, отдельный класс приборов, среди которых отражательные триоды с ВК (или триоды с ВК), являются СВЧ-устройствами генерации мощных импульсов (десятки мегаватт) электромагнитного излучения в дм-см диапазоне длин волн.

Отражательные триоды характеризуются простой конструкцией, возможностью работать без внешнего магнитного поля, относительной легкостью перестройки частоты и режима генерации, работой на токах, превышающих предельный вакуумный ток. В таком генераторе при формировании ВК пространственно-временные колебания ВК и осцилляторное движение электронов пучка обуславливают генерацию электромагнитных колебаний. В триоде с ВК эффективное взаимодействие электронов пучка с полем СВЧ-волны обеспечивается благодаря тому, что формирование пучка и ВК, а также возбуждение СВЧ-поля происходит в одном и том же объеме, являющемся одновременно электродинамической системой генератора. Поэтому при конструировании генератора выбор моды, с которой будет осуществляться взаимодействие пучка, является важным условием.

Разработкой и исследованием виркаторов занимаются в России и за рубежом в США, Франции, Китае. В настоящее время разработаны виркаторы с плоскопараллельными электродами и коаксиальные виркаторы с радиально сходящимся пучком. В отражательном триоде с плоскопараллельными электродами СВЧ излучение является многомодовым, что ограничивает применение триода с ВК на практике.

В виркаторе коаксиального типа с радиально сходящимся пучком легче осуществить одномодовый режим генерации. Однако при возбуждении аксиально-симметричной волны ТМ01 уровень мощности СВЧ излучения существенно зависит от однородности распределения пучка по углу, который при работе катода в режиме взрывной эмиссии осуществить практически проблематично. Коаксиальный виркатор с радиально сходящимся несимметричным пучком разработан для генерации излучения на основном типе колебаний ТЕц. Однако в таком генераторе при формировании двух ВК в пространстве дрейфа цилиндрического резонатора наличие пролетных электронов затрудняет получение эффективной одномодовой генерации. Таким образом, получение одномодовых режимов излучения электромагнитных колебаний генераторов с ВК остается актуальной задачей.

В диссертационной работе проведено теоретическое и численное исследование генерации электромагнитного излучения в планарно-коаксиальном и коаксиальном триодах с ВК. Определены условия одномодовых режимов генерации. Экспериментально получена одномодовая генерация электромагнитных колебаний в отражательных триодах: планарно-коаксиальном и коаксиальном с радиально расходящимся электронным пучком.

Диссертация выполнена на кафедре прикладной математики Института кибернетики и в лаборатории № 42 Физико-технического института (ФТИ)

Национального исследовательского Томского политехнического университета (НИ ТПУ) в соответствии с планом госбюджетных научно-исследовательских работ по теме: «Исследование электромагнитного излучения в коаксиальных и планарно-коаксиальных отражательных триодах».

Цели и задачи исследования. Цель работы - теоретическое и экспериментальное исследование одномодовой генерации электромагнитных колебаний в коаксиальном и планарно-коаксиальном отражательных триодах с радиально расходящимся пучком.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи исследования.

1. Теоретическое исследование электродинамических характеристик отражательных триодов и уровня взаимодействия колебаний ВК с электромагнитными полями резонансных систем. Определение условий одномодовой генерации на ТЕц и ТЕМ волнах.

2. Численное исследование методом крупных частиц формирования ВК и возбуждения электромагнитных колебаний в отражательных триодах.

3. Экспериментальные исследования влияния ширины пучка на характеристики излучения коаксиального отражательного триода со сходящимся пучком.

4. Экспериментальные исследования генерации электромагнитного излучения планарно-коаксиального и коаксиального отражательных триодов с расходящимся пучком.

Научная новизна работы. Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работе, состоит в следующем.

1. На основе теоретического исследования сформулированы условия одномодовых режимов генерации планарно-коаксиального и коаксиального отражательных триодов.

2. Численно с помощью электромагнитного кода КАЛАТ продемонстрирована возможность генерации электромагнитных колебаний отражательных триодов планарно-коаксиального и коаксиального с радиально расходящимся пучком.

3. Экспериментально получено излучение волны ТЕц планарно-коаксиального отражательного триода.

4. Экспериментально получено излучение волны ТМ01 коаксиального отражательного триода волны ТМ01 при возбуждении неустойчивости радиально расходящегося аксиально-симметричного пучка на ТЕМ волне в коаксиальной области отражательного триода.

• разработке новых высокоэффективных приборов на основе систем с ВК и проведении на них экспериментов.

• разработке и создании диагностики мощных импульсов СВЧ излучения.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Взаимодействие с ТЕМ волной осуществляется аксиально-симметричным расходящимся пучком в неодносвязной области коаксиального отражательного триода. Трансформация волны ТЕМ в волну TM0i происходит в цилиндрической области триода с коэффициентом прохождения волны порядка единицы на частоте 3 ГГц.

2. Взаимодействие с волной ТЕц осуществляется несимметричным пучком в отражательном триоде планарно-коаксиальной конфигурации. Коэффициент прохождения волны ТЕц на частоте 3 ГГц ~0,8.

3. Диагностика неоднородности аксиально-симметричного пучка может проводиться из сравнения расчетной и экспериментальной ДН.

4. Мощность излучения в коаксиальных отражательных триодах имеет периодическую зависимость от расстояния между пучком и отражателем и экстремальную зависимость от ширины эмиссионной поверхности катода.

5. Коаксиальный отражательный триод при условиях аксиальной симметрии расходящегося пучка и резонансного взаимодействия колебаний ВК с ТЕМ волной в коаксиальной области триода может работать в режиме одномодовой генерации волны ТМоь

6. Планарно-коаксиальный отражательный триод при выполнении условий на размеры пучка, местоположение катодов и резонансного взаимодействия колебаний ВК с волной ТЕц может работать в режиме одномодовой генерации.

Личный вклад автора: проведение численных расчетов и экспериментов, разработка резонансной системы коаксиального отражательного триода, анализ экспериментальных и теоретических результатов, формулирование научной новизны, защищаемых положений и выводов.

Апробация результатов. Материалы диссертационной работы обсуждались на научных семинарах кафедры прикладной математики ИК ТПУ и доложены на следующих конференциях: 16th (17th) International Symposium on High Current Electronics, Tomsk 2010 (2012); VIII (EX) Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и современные информационные технологии», Томск 2010 (2011); VI International Conférence of students and young scientists «Prospects of Fundamental Sciences Development», Tomsk 2010; V Всероссийская научно-практическая конференция «Научная инициатива иностранных студентов и аспирантов российских вузов» - Томск 2012; The 7th International Forum on Stratégie Technology (IFOST2012), Tomsk 2012.

Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 12 печатных трудах, включая 4 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК, рекомендуемых для публикации основных результатов диссертаций на соискание ученых степеней кандидата наук.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 101 страницах, включает 6 таблиц, 54 рисунков. Состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 68 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационного исследования, проведен краткий обзор литературы, сформулирована цель, обозначены решаемые задачи, выделены основные положения, выдвигаемые на защиту.

В первой главе проводится численное исследование электродинамических характеристик коаксиального и планарно-коаксиального отражательных триодов, передачи электромагнитной энергии в электродинамической структуре триода и ДН выходного излучения. Проводится теоретическое исследование взаимодействия колебаний ВК с электромагнитными полями резонансной системы коаксиального отражательного триода. С применением метода крупных частиц (PIC код КАРАТ) исследуется формирование ВК и генерация электромагнитного излучение в отражательных триодах.

1. Электродинамические системы отражательных триодов являются неодносвязными в области взаимодействия пучка с полем системы. В этой области могут возбуждаться волны типа ТМ, ТЕ и ТЕМ.

I—А д-А

К-А К А ВК

Рис 1. Схемы электродинамических систем коаксиального (а) и планарно-коаксиального (б) отражательных триодов; А - анод, К - катод, ВК - виртуальный катод.

На рис. 1 показаны модели электродинамических структур триодов, которые не являются однородными вдоль продольной координаты г и состоят из отрезков волноводных линий: коаксиальной, планарно-коаксиальной и цилиндрической, в каждой из которых свои критическая частота и распределение поля. Исследование структуры собственных полей и частот проведено с помощью численного решения уравнения Гельмгольца.

Зависимость критической частоты нескольких первых типов волн от внешнего радиуса системы показана на рис. 2а и от радиуса внутреннего электрода на рис. 26. Как видно из рис. 2а, критическая частота волны ТЕц в планарно-коаксиальной линии (_/?2=17,5 см) равна критической частоте в цилиндрической области, т.е. в области выходного окна рупора (7?2=22 см). Из рис. 26 видно, что при возбуждении аксиально-симметричной волны ТМ01 (/кР.=1,58 ГГц) в неодносвязной области триода она будет трансформироваться в волну ТМ02 (/кР.=1,5 ГГц) на границе областей коаксиал-цилиндр (рис. 1а). Так как волны ТЕМ и ТМш имеют близкие конфигурации полей, то излучение волны ТМ01 можно реализовать при возбуждении ТЕМ волны в неодносвязной области коаксиального триода с ее последующей трансформацией в волну ТМ01 в цилиндрической области триода.

0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4

ГГц

ТЕ,,

ТЕ,,..... .........

............

1 ~---------

/кр, ГГц

1,5'

02 /

~~тнь7

1Ьц

12 14

22 Яг, см

8 10 Й1-, см

Рис. 2. Зависимость критической частоты от радиуса внешнего электрода в линиях:

коаксиальной (—), планарно-коаксиальной (--) и цилиндрической (' ) (о) и от внутреннего

радиуса коаксиальной линии (б).

Из численного решения трехмерного уравнения Гельмгольца получены резонансные частоты и распределение поля волн в резонансных системах

отражательных триодов. Для диапазона частот 2,5...3,5 ГГц резонансные частоты волны ТЕц: /у=2,51; 2,77 и 2,99 ГГц. На рис. 3 для двух значений частот 3 и 3,74 ГГц показано распределение Ех компоненты электрического поля

0,6 2, М

Рис. 3. Распределение Ех компоненты электрического поля вдоль продольной координаты при 1=Ъ ГГц (сплошная линия) и /=2,74 ГГц (пунктирная линия)

волны ТЕп вдоль оси коаксиального отражательного триода (рис. 16). Для эффективного взаимодействия пучка с волной пучок должен располагаться между узлами стоячей волны резонансной системы отражательного триода.

2. В отражательных триодах при переходе от коаксиальной конфигурации к цилиндрической или рупорной антенне происходит отражение и преобразование волн в высшие типы волн. Исследование коэффициента прохождения для разных типов волн через электродинамическую систему триодов показало, что в коаксиальной системе коэффициент передачи волны ТЕц на частоте 3 ГГц 5 ~ 0,8, а волны ТЕМ (с последующей трансформацией ее в ТМоО 5 > 0,9.

3. Численное исследование ДН в дальней зоне позволяет определить модовый состав электромагнитного излучения и провести диагностику неоднородности пучка в отражательном триоде. Азимутальная неоднородность электронного пучка в результате исходной неоднородности эмиссионной поверхности цилиндрического катода, а также некоторая разъюстировка системы могут обусловить одновременное возбуждение волн ТЕМ и ТЕц. Из рис. 4 видно, что при прохождении двух волн ТЕМ + ТЕц через электродинамическую систему влияние волны ТЕц становится заметным по отсутствию провала на ДН.

а б в

Рис. 4. ДН по мощности излучения двух волн коаксиального отражательного триода: а - Етем+Етеп = 0,5 + 0,5; б - 0,8 + 0,2; в - 0,95 + 0,05

4. Для исследования стационарного состояния релятивистского электронного потока в вакуумном диоде численно решалось уравнение Пуассона. В нерелятивистском приближении, ефа/тс2« 1 плотность тока на радиусе г коаксиального диода записывается в виде

^ ГГ с (1)

9л-\т0 г2^г(г/Яс) * 5 120 3300 ^

Здесь Ь=\п(г/Кс), Ял и Лс - радиусы анода и катода, фа - потенциал, ей т0 -заряд и масса электрона. При |1п(Л,/Лс)|«1 формула (1) переходит в хорошо известный закон Чайлда-Ленгмюра для плоского диода.

Рассматривая ВК как пространственно распределенный осциллятор,

совершающий колебания относительно среднего положения с частотой, равной когерентным колебаниям электронов, и зависящей только от плотности пространственного заряда, проведено теоретическое исследование уровня взаимодействия колебаний ВК с электромагнитным полем резонансной системы отражательного триода. Получены геометрические функции G для волн ТЕ, ТМ и ТЕМ, характеризующие уровень взаимодействия колебаний ВК с электромагнитным полем резонатора и исследованы зависимости G от геометрии системы и пучка, типа возбуждаемой волны. На рис. 5 показана зависимость геометрической функции волн излучения ТЕц и ТЕМ волн от центрального угла Оа (рис. 1), связанного с размерами катода.

Из проведенных расчетов следует, что в отражательном триоде, для эффективного взаимодействия пучка с волной ТЕц необходимо использовать аксиально-несимметричный пучок с шириной катода Lk<(tt/2)Rk. Для уменьшения влияния краевых эффектов, приводящих к рассыпанию пучка, лучше использовать планарную конфигурацию диода. При центральном угле 0и>2к/3, как видно из рис. 5, геометрическая функция и, следовательно, уровень взаимодействие колебаний ВК с волной ТЕМ становится выше, чем с волной ТЕц. Поэтому развитие неустойчивости на ТЕМ волне можно обеспечить расходящимся аксиально-симметричным пучком, который будет сформирован в отражательном триоде коаксиальной конфигурации.

5. С помощью релятивистского 2-х и 3-х мерного PIC кодов КАРАТ проведено исследование формирования ВК и генерации электромагнитных колебаний в отражательных триодах коаксиальной и планарно-коаксиальной конфигураций. Показано, что в отражательных триодах при формировании ВК устанавливается квазистационарнный режим колебаний ВК. Частота колебаний ВК зависит от плотности пространственного заряда в области ВК.

В численных расчетах рассматривались резонансные системы с внешним радиусом Л=17,5 см; радиус анода RÂ и катода RK коаксиального триода со сходящимся пучком Ra = 5,4 см, RK = 7,1 см; триода с расходящимся пучком RA = 6,7 см и Rk= 5,5 см; в планарно-коаксиальном триоде ширина катода LR-=4 см, длина h=5 см; ускоряющее напряжение 450 -500 кВ, прозрачность анода 70%.

На рис. 6 показаны расчетные системы и конфигурационные портреты электронных пучков в отражательных триодах. В планарно-коаксиальном отражательном триоде, как было показано выше, для увеличения мощности излучения можно использовать два пучка, если колебания ВК и движение электронов будут синхронны изменениям амплитуды стоячей волны ТЕц. Это

Рис. 5. Зависимость геометрической функции в излучения волн ТЕц (- -) и ТЕМ (—) от угла во

будет иметь место, если катоды расположены в противоположных плоскостях и смещены относительно друг друга на длину стоячей полуволны (рис. 6а) в резонаторе триода, либо катоды расположены в одной плоскости и расстояние между ними равно длине стоячей волны (рис. 66). В расчетах среднее значение тока в каждом диодном промежутке составляло 12,5 кА. Частота колебаний тока анода и колебаний ВК были равны 3 ГГц.

х, см 3020-

10-

30 40

г, см

1 и*.-. - -

60 г, см

г, см 15

40 г, см

Рис. 6. Конфигурационные портреты пучков в планарно-коаксиальном (а, б) и коаксиальных отражательных триодах со сходящимся (в) и расходящимся пучком (г)

В коаксиальном отражательном триоде проведено численное исследование влияния на ток триода ширины эмиссионной поверхности катода Ь. Показано, что в коаксиальном триоде со сходящимся пучком при И>2 см и с расходящимся пучком при /г>3 см ток и частота колебаний ВК практически не зависят от ширины пучка. Краевые эффекты и собственное магнитное поле определяют характер зависимостей на рис. 7, в отличие от линейной зависимости /(/?)=_/' 2л ЯЛИ, которую дает одномерная теория (1).

Частота излучения совпадает с частотой колебаний ВК и при изменении /г в

I кА'

0 2 4 6 /?, см

Рис. 7. Зависимости тока коаксиального отражательного триода от ширины катода: 1 - сходящийся пучок, 2 - расходящийся пучок

коаксиальных триодах (рис. бе, г) меняется в интервале 2,9-3,2 ГГц. При этом мощность излучения, как показали численные расчеты, имеет зависимость с максимумом от И. Максимум мощности в коаксиальном триоде со сходящимся пучком получен при к=5 см и в коаксиальном триоде с расходящимся пучком при й=2,5 см. Такая зависимость обусловлена влиянием собственного магнитного поля пучка на ток пучка и на траектории электронов пучка.

Численные расчеты показали, что мощность излучения коаксиального отражательного триода зависит от местоположения пучка относительно отражателя, и имеет периодическую зависимость от расстояния отражатель-пучок.

На рис. 8 показаны расчетные спектр частот, импульсы мощности пучка в области анод-ВК и мощности излучения на выходе из коаксиального отражательного триода с расходящимся пучком (рис. 6г).

МВт/ГГц, ъ= 55 см

О 20 40 60 80 /. цс 0 20 40 60

а б в

Рис. 8. Импульсы мощности пучка (а), мощности излучения (б) и спектр частот (в)

4 / ГГц

Таким образом, теоретические и численные исследования показали возможность возбуждения неустойчивости электромагнитных колебаний в планарно-коаксиальном отражательном триоде на ТЕц волне и в коаксиальном отражательном триоде на ТЕМ волне с последующей трансформацией ее в ТМ01 волну.

Во второй главе проводится экспериментальное и численное исследование влияния ширины катода на ток и характеристики излучения отражательного коаксиального триода с радиально сходящимся электронным пучком. Проводится сравнение с экспериментами других авторов.

Источником импульсного высокого напряжения наносекундного диапазона в экспериментах являлся сильноточный электронный ускоритель прямого действия на базе двойной формирующей линии, схема которого показана на рис. 9. Базовые параметры выходного импульса — напряжение до 600 кВ, длительность импульса на полувысоте 90 не.

Формирующая линия

Вакуумный диод

Зарядная индуктивность

Рис. 9. Схема источника импульсного высокого напряжения

Высоковольтный вакуумный

Схема экспериментальной установки, показана на рис. 10. Центральной частью экспериментальной установки является коаксиальный диод с анодом в виде сетки из нержавеющей стали. Дисковый катод с помощью катододержателя соединялся с высоковольтным отрицательным электродом ускорителя. Конструкция катода позволяла изменять ширину И эмиссионной поверхности катода.

1 д

1 \

к *

, 15

Рис. 10. Схема и элементы экспериментальной установки. 1-катод; 2-анод-сетка с волноводом; 3-антенна; 4—изолятор ускорителя; 5-вакуумная камера; 6-пояс Роговского

Измерение импульсного тока, протекающего по аноду-сетке, осуществлялось поясом Роговского, размещенным на торцевой стенке камеры. Для регистрации электромагнитного излучения в дальней зоне антенны устанавливались приемники излучения.

При катод-анодном промежутке 17 мм были воспроизведены режимы с осциллирующим электронным потоком (прозрачность сетки 0,7) и диодный режим со сплошным анодом. Получен ток отражательного триода на 10% меньше тока диода (рис. 11). Следует отметить, что в плоском отражательном триоде ток анода (при такой же прозрачности анода) отличался от тока диода на 25%. Это означает, что число электронов, осциллирующих в области катод-ВК в коаксиальном триоде меньше, чем в планарном, и соответственно, группировка электронов по фазе колебаний меньше. От числа электронов, резонансно взаимодействующих с электромагнитной волной, зависит уровень мощности когерентного излучения.

200 0 -200 400

1,(кА) 10 0 -10 -20 -30

■ч Л

50 100 150 I, (нсек)

.....Чч

^ (нсек)

Рис. 11. Осциллограммы импульсов напряжения (о), тока пояса Роговского (б) сплошная линия - диод; штриховая линия - триод; Ь = 5,5 см

Измерения СВЧ излучения, генерируемого в режиме работы с осциллирующим электронным

потоком, проводились на оси триода и на таком же расстоянии на углу 30°. Проведены экспериментальные

исследования зависимости мощности, тока отражательного триода и частоты излучения от размера катода. Экспериментально показано, что при изменении ширины эмиттера А от 2 см до 5,5 см ток триода практически не менялся (от 29 до 30 кА), частота излучения изменялась от 2,6 до 3 ГГц, однако увеличение плотности мощности излучения при этом происходило в 7-10 раз. Экспериментально при й=5,5 см получена плотность мощности излучения отражательного триода до 10 Вт/см2 на углу 30° и 3 Вт/см2 на оси системы при длительности импульса 60 не (на половинном уровне мощности) с частотой 3 ГГц.

Результаты численного

исследования влияния ширины катода на ток (рис. 7) хорошо согласуются с экспериментом. На рис. 12 показан расчетный спектр электрического поля в коаксиальном отражательном триоде (рис. 6в) для параметров эксперимента.

Таким образом, в коаксиальном отражательном триоде со сходящимся пучком увеличение мощности пучка (~ в 7 раз) при увеличении ширины катода (с 2 до 5,5 см) происходит при практически постоянном токе триода и частоте генерации.

В третьей главе проводится теоретическое и экспериментальное исследование генерации электромагнитного излучения в планарно-коаксиальном триоде с ВК. Цель создания такой конструкции заключалась в том, что новая система включает в себе преимущества отражательного триода с плоскими электродами и коаксиального отражательного триода с радиальным пучком. Наибольший интерес к такой системе связан с возможностью генерации аксиально-несимметричной волны ТЕп, которая формирует в свободном пространстве ДН излучения с одним максимумом по оси передающей антенны генератора без дополнительных преобразующих устройств. Схема триода и внешний вид анода и катода показаны на рис. 13.

1,0 2,0 / ГГц

Рис.12. Спектр электрического поля виокатста

Триод представляет собой цилиндрическую вакуумную камеру 2, внутри которой располагается катодный узел 5 и сеточный анод 6. Катодный узел расположен внутри анода. В рассматриваемом триоде с ВК возможно использование до четырех плоскопараллельных катод-анодных промежутков, сеточные аноды которых соединяются в квадратную призму с закругленными ребрами. С обеих сторон призма переходит в полые цилиндры и таким образом образуется внутренний проводник коаксиальной электродинамической системы. Для согласования коаксиальной системы с рупорной антенной 4 на конце полого цилиндра со стороны антенны устанавливается конус-трансформатор типа волны 3. К аноду б прикладывается импульс высокого положительного напряжения. Катодный узел находится под потенциалом «земли». Под действием высокого напряжения с катода эмитируются электроны, которые проходят через сеточный анод и за анодом формируют ВК. С формированием ВК электроны пучка начинают совершать осцилляторное движение, в результате чего начинает осциллировать ВК на частоте осцилляций электронов и возникает СВЧ-излучение, которое выводится в свободное пространство через рупорную антенну.

А - - ¿Г;.-

Рис. 13. Элементы и схема гаганарно-коаксиального триода с ВК. 1 - отражатель; 2 - вакуумная камера; 3 - трансформатор типа волны; 4 - выходное окно; 5 - катод; 6 - анод-сетка; 7 - изолятор ускорителя; 8 - пояс Роговского

Как следует из проведенных теоретических исследований для эффективного возбуждения волны типа ТЕП в планарно-коаксиальном триоде необходимо использовать аксиально-несимметричный пучок. Катоды длиной й=5 см, шириной ¿с=4 см выбирались исходя из полученных условий ограничения: Ьс < (2л/3)ЯК (рис. 5) и И<Л/2, Л - длина волны в резонансной системе. Экспериментально было проведено исследование мощности излучения от количества катодов, от их расположения относительно друг друга и относительно выходного окна рупорной антенны. Показано, что оптимальное

100 200 300 Г; не

Рис. 14. Осциллограмма импульсов напряжения иа (а), тока 1(6) в триоде

/ГГц 3.3 3.1

2.9

Рис. 15. Зависимость частоты /(а) и мощности излучения Р (б) от времени Л

положение катода в камере триода в эксперименте соответствует совпадению координат середины ВК и максимума стоячей волны ТЕц.

На рис. 14 показаны осциллограммы напряжения иа (14сг), тока / (14б) в триоде при катод-анодном промежутке с/ = 1.2 см. На рис. 15 показаны зависимости частоты / (15а) и мощности излучения Р (15б) на оси системы от времени.

Теоретически и экспериментально показано, что для увеличения мощности излучения можно использовать два пучка, если колебания ВК и движение электронов будут синхронны изменениям амплитуды стоячей волны. Это будет иметь место, если катоды расположены в противоположных плоскостях и смещены относительно друг друга на длину стоячей полуволны (рис. 6а) в резонаторе триода, либо катоды расположены в одной плоскости и расстояние между ними равно длине стоячей волны (рис. 66).

Р. МВт 100' —

50 25

Р, МВт 100

0 12 3 4 /ок.см

0 12 3 4 5 6 7 /ок.см

Рис. 16. Экспериментальные зависимости мощности излучения от расстояния между осями катодов (рис. 6а) и мощности излучения Р от расстояния между катодами (рис. 66)

На рис. 16 показаны результаты экспериментального исследования мощности излучения от расстояния между катодами при разном их расположении относительно друг друга (рис. 6). Максимальная мощность излучения в эксперименте получена при формировании двух пучков на уровне 100 МВт при длительности импульса излучения 60 не при частоте генерации 3,1 ГГц.

Измерения поляризации волны в свободном пространстве показали, что она линейная и вектор электрического СВЧ-поля волны совпадает с направлением движения осциллирующих электронов пучка. На рис. 17 представлена экспериментально полученная диаграмма направленности электромагнитного излучения

Таким образом, полученная диаграмма направленности излучения с максимумом мощности вдоль оси распространения излучения, линейность поляризации электромагнитной волны, хорошее совпадение частоты генерируемого СВЧ излучения с собственной частотой волны типа ТЕи в резонансной системе триода с ВК, позволяют утверждать, что генерация в данном триоде с ВК происходит на волне типа ТЕп.

В четвертой главе проводится экспериментальное исследование генерации электромагнитного излучения в коаксиальном отражательном триоде с расходящимся пучком (рис. 18).

К-А

Рис. 18. Схема экспериментальной установки. 1 - катод; 2 - анод-сетка; 3 - выходное окно; 4 - изолятор ;5 - вакуумная камера; 6 - пояс Роговского; 7 - отражатель

Результаты эксперимента сравниваются с численными расчетами. В цилиндрической вакуумной камере внутри сеточного анода располагался катодный узел. Катод находился под потенциалом земли и был выполнен в виде диска диаметром 11 см, конструкция катода позволяла изменять ширину

Рис. 17. ЛН излучения

К-А

í/.кВ

t, НС

/ \

J \

O JOO 200 t, не

Рис. 19. Осциллограммы импульсов напряжения (а) и тока (б) в триоде

Рис. 20. Зависимость частоты (а) и мощности излучения (б) от времени

его эмитируемой поверхности от 0,8 до 4 см. Цилиндрический анод диаметром 13,4 см выполнен из металлической сетки с геометрической прозрачностью —0,7 и находился под высоким положительным потенциалом, под действием которого с катода происходила эмиссия электронов, и за сеткой-анодом формировался ВК. Осцилляции электронов и ВК обуславливали СВЧ-излучение, которое выводилось в свободное пространство через рупорную антенну 3. Типичные осциллограммы импульсов напряжения и тока в триоде, огибающей импульса СВЧ излучения показаны на рис. 19. На рис. 20 представлены зависимости частоты и мощности излучения на приемной антенне от времени в течение процесса генерации.

Экспериментально было проведено исследование влияния размеров пучка, его местоположения относительно отражателя на ток отражательного триода и характеристики излучения. Экспериментально и численно показано, что при ширине катода к>2,4 см ток триода практически не зависит от ширины катода. Зависимость мощности излучения от А имеет экстремум при И=2,Л см (рис. 21).

Р/р,-

р/р»

0 1 2 3 4 А,СМ Рис. 21. Зависимость относительной мощности излучения от ширины катода: V - эксперимент, * - расчет

10 12 14 I,см Рис. 22. Зависимость мощности излучения виркатора от растояния от центра пучка до отражателя: V - эксперимент, * - расчет

При й<2,4 см мощность излучения повторяет зависимость тока от к. При й>2,4 см благодаря увеличению собственного магнитного поля происходит ограничение тока пучка за счет центральных электронов, увеличивается разброс электронов по амплитудам колебаний, что приводит к уменьшению мощности излучения.

Экспериментально и численно были проведены исследования влияния местоположение пучка относительно отражателя на параметры пучка и излучения. На рис. 22 показана зависимость мощности излучения от растояния отражатель - центр пучка Ь. Как следует из эксперимента и численных расчетов, мощность излучения носит периодический характер от Ь. Это связано с тем, что в триоде при возбуждении неустойчивости симметричным электронным пучком формируется стоячая волна, и наибольшая мощность излучения соответствует местоположению пучка в максимуме электрического поля стоячей волны. Максимальная мощность излучения, полученная в эксперименте, достигала 260-300 МВт на частоте 3 ГГц.

Теоретически показано и

экспериментально было установлено, что частота излучения увеличивается (до -10%) при формировании пучка вблизи края анода. Это обусловлено влиянием краевых эффектов на траектории электронов и соответственно на плотность заряда в области ВК. Частота излучения в отражательных триодах связана с плотностью заряда в области ВК. На рис. 23 представлены экспериментальные ДН СВЧ излучения коаксиального отражательного триода.

Из сравнения расчетных (рис. 4) и экспериментальных ДН можно сказать, что в эксперименте присутствует некоторая асимметрия электронного пучка по азимуту, обуславливающая возбуждение волны ТЕц наряду с волной ТЕМ. При этом доля волны ТЕц в экспериментах составляет менее 20%. Боковые лепестки на ДН могут быть связаны с дополнительным рассеянием волны на окне вывода энергии.

Таким образом, полученные результаты показывают, что в коаксиальном отражательном триоде с расходящимся пучком получена генерация электромагнитного излучения волны ТМоь

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертационной работе.

а 6

Рис. 23. Экспериментальные ДН излучения

Основные результаты работы

1. В результате исследования электродинамических систем отражательных триодов показано, что волна ТЕМ трансформируется в ТМ01 волну при выполнении резонансных условий в коаксиальном отражательном триоде. Показано, что критическая частота ТЕц волны незначительно меняется при изменении формы внутреннего проводника.

2. Определены частотные зависимости коэффициентов передачи энергии волн

в электродинамических системах отражательных триодов. Получено, что 5~0,8 для волны ТЕц и 5>0,9 для волны ТЕМ.

3. Показано, что асимметрию пучка в коаксиальном отражательном триоде с расходящимся пучком можно оценивать из сравнения расчетной и экспериментальной диаграмм направленности.

4. Проведено теоретическое исследование резонансного взаимодействия колебаний ВК с собственными модами электродинамической структуры коаксиального и планарно-коаксиального триодов. Определены условия на геометрию и местоположения катодов для эффективного взаимодействия электронного пучка с волнами ТЕМ и ТЕц.

5. Проведено моделирование методом крупных частиц формирования ВК и возбуждения электромагнитных колебаний в отражательных триодах. Численно показано, что ток и частота излучения при ширине эмиссионной поверхности И>2с1 практически не зависят от к.

6. Экспериментально и численно показано, что в коаксиальном отражательном триоде со сходящимся пучком увеличение мощности пучка (~ в 7 раз) при увеличении ширины катода (с 2 до 5,5 см) происходит при практически постоянном токе триода и частоте генерации. Экспериментально получена плотность мощности излучения до 10 Вт/см2 на углу 30е и 3 Вт/см2 на оси системы при длительности импульса 60 не (на половинном уровне мощности) с частотой 3 ГГц.

7. Экспериментально подтверждена возможность одномодовой генерации электромагнитного излучения планарно-коаксиального триода с ВК. Максимальная мощность излучения в эксперименте получена при формировании двух пучков на уровне 100 МВт при длительности импульса излучения 60 не при частоте генерации 3,1 ГГц.

8. Экспериментально подтверждена возможность одномодовой генерации электромагнитного излучения коаксиального отражательного триода с радиально расходящимся пучком Экспериментально и численно получено, что мощность излучения зависит от местоположения пучка относительно отражателя и имеет экстремальную зависимость от ширины катода. Показано, что излучение коаксиального отражательного триода с расходящимся пучком происходит на ТМщ волне. Максимальная мощность излучения получена в эксперименте 260-300 МВт на частоте 3 ГГц.

Основные работы, опубликованные по теме диссертации

01. В.П. Григорьев, А.Г. Жерлицын, Т.В. Коваль, |Г.В. Мельников), A.JL Марченко, Нгуен М. Туан. Исследование структуры полей и резонансных частот планарно-коаксиального отражательного триода // Известия Томского политехнического университета. - 2011. - Т. 319, № 2 :- С. 77-80.

02. А.Г. Жерлицын, Т.В. Коваль, Г.Г. Канаев, Т.М. Нгуен. Исследование генерации электромагнитного излучения в коаксиальном виркаторе с расходящимся пучком // Известия Томского политехнического университета. 2012. Т. 321. - №2. - С. 81-85.

03. Г.В. Мельников, Т.В. Коваль, A.JI. Марченко, Н.М. Туан. Несимметричный коаксиальный отражательный триод с виртуальным катодом // Известия Вузов. Физика. - 2010. - Т.53. - №10/2. - С. 237-240.

04. Жерлицын А.Г., Канаев Г.Г., Коваль Т.В., Нгуен Т.М., Марченко A.JI. Исследование возбуждения электромагнитных колебаний в планарно-коаксиальном триоде с виртуальным катодом // Известия Вузов. Физика. -2011. - Т.54. - № 11/2.-С. 209-214.

05. N.M. Tuan, T.V. Koval, G.V. Melnikov, and A.G. Zherlitsyn. The Research of the Coaxial Vircator with a Symmetric Converging Electron Beam // 16th International Symposium on High Current Electronics: Proceedings - Tomsk, September 19-24, 2010. - Tomsk: Publishing House of the IOA SB RAS, 2010. -pp. 497-500.

06. Nguyen Minh Tuan, Tamara V. Koval. Research of stationary conditions of an electron beam and virtual cathode formation in reflective triodes of various geometries // VI International Conference of students and young scientists «Prospects of Fundamental Sciences Development». Russia, Tomsk, April 20-23, 2010. ISBN 978-5-98298-626-9 -pp. 429-431.

07. A.L. Marchenko, T.V. Koval, and N.M. Tuan. The Coaxial Vircator with an Asymmetric Electron Beam // 16th International Symposium on High Current Electronics: Proceedings - Tomsk, September 19-24, 2010. - Tomsk: Publishing House of the IOA SB RAS, 2010. - pp. 494-496.

08. А.Г. Жерлицын, Т.В. Коваль, Г.Г. Канаев, Т.М. Нгуен. Исследование электродинамических и излучательных характеристик коаксиальных триодов с виртуальным катодом // Вестник науки Сибири, Электронный журнал ТПУ, Том 4, № 3, 2012 - С. 209-214

09. Nguyen Minh Tuan, Tamara V. Koval. The modeling of electron beam stationary condition in the diode and drift space, сборник докладов IV научно-практической конференции иностранных студентов, магистрантов и аспирантов НИ ТПУ «Коммуникация иностранных студентов, магистрантов и аспирантов, в учебно-профессиональной и научной сферах»,- Томск, 1216 апреля 2010 года. Томск: Издательство ТПУ, 2010 - С. 85-88.

10. Нгуен Минь Туан, Г.В. Мельников. Экспериментальное исследование планарно-коаксиальной отражательной системы с виртуальным катодом // Сборник трудов IX Всероссийской научно-практической конференции

студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и современные информационные технологии.». Томск, 11-13 мая 2011 г., ч.1. Томск: Изд-во СПБ Графике - С. 210-211.

11. Нгуен Минь Туан, Т.В. Коваль, Иене Фламм, А.В. Малигин, Моделирование компонентов 28ГГц/15КВт технологических гиротронов в CST Microwave Studio // Сборник трудов V Всероссийской научно-практической конференции «Научная инициатива иностранных студентов и аспирантов российских вузов» - Томск. 25 - 27 апреля 2012, С. 588-592.

12. Нгуен Минь Туан, Т.В. Коваль. Двухмерное стационарное состояние электронного пучка в диоде // Сборник трудов VIII Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и современные информационные технологии.», г. Томск, 3-5 марта 2010 г.- Томск: Изд-во СПБ Графике- С. 85-86.

Подписано к печати 31.10.2012. Формат 60><84/16. Бумага «Снегурочка». Печать XEROX. Усл. печ. л. 1,28. Уч.-изд. л. 1,16. Заказ 1207-12. Тираж 100 экз.

_ Национальный исследовательский Томский политехнический университет

Система менеджмента качества Издательства Томского политехнического университета сертифицирована NATIONAL QUALITY ASSURANCE по стандарту BS EN ISO 9001:2008

издательство^* тпу. 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30 Тел/факс: +7 (3822) 56-35-35, www.tpu.ru

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Нгуен Минь Туан

Список иллюстраций.

Список таблиц.

Введение.

Глава 1. Теоретическое исследование отражательных триодов.

1.1 Электродинамические характеристики отражательных триодов.

1.2 Коэффициент передачи электромагнитной энергии.

1.3 Диаграмма направленности.

1.4 Стационарное состояние электронного пучка в диоде и отражательном триоде.

1.5 Численное исследование отражательных триодов.

1.6 Численное моделирование отражательных триодов.

1.7 Выводы.

Глава 2. Исследование коаксиального триода со сходящимся электронным пучком

2.1 Экспериментальная установка.

2.2 Экспериментальное исследование коаксиального триода.

I | 1 1 I ' < 1 ' 1 : ' I

I ' •> I I 1 г > 1 |

2.3 Сравнение результатов теоретического исследования с экспериментом

2.4 Выводы.

Глава 3. Исследование отражательного планарно-коаксиального триода.

3.1 Экспериментальная установка.

3.2 Исследование электромагнитного излучения планарно-коаксиального отражательного триода.

3.3 Выводы.

Глава 4. Исследование отражательного коаксиального триода с расходящимся электронным пучком.

4.1 Экспериментальная установка.

4.2 Исследование электромагнитного излучения коаксиального отражательного триода с расходящимся пучком.

4.3 Выводы.

Введение диссертация по физике, на тему "Исследование электромагнитного излучения в коаксиальных и планарно-коаксиальных отражательных триодах"

СВЧ-генераторы с виртуальным катодом (ВК) - виркаторы, отдельный класс приборов, среди которых отражательные триоды (или триоды с ВК), являются СВЧ-устройствами для генерации мощных импульсов (десятки мегаватт) электромагнитного излучения в дм-см диапазоне длин волн [1-3, 5558].

Отражательные триоды характеризуются простой конструкцией, возможностью работать без внешнего магнитного поля, относительной легкостью перестройки частоты и режима генерации, работой на токах, превышающих предельный вакуумный ток. В таком генераторе при формировании виртуального катода его пространственно-временные колебания и осцилляторное движение электронов пучка обуславливают генерацию электромагнитных колебаний. В триоде с ВК эффективное взаимодействие электронов пучка с полем СВЧ-волны обеспечивается благодаря тому, что 14 - формирование пучка и ВК, а также возбуждение СВЧ-поля происходят в одном > И " 1 ' / * 'V,,' ' ' ч}, 1 ! « I 1 'I " ^ «Г I" ' ' » ; У> и том же объеме, являющемся одновременно электродинамической системой' генератора [52]. Поэтому при конструировании генератора выбор моды, с которой будет осуществляться взаимодействие пучка, является важным условием.

Разработкой и исследованием виркаторов занимаются как в России так и за рубежом в США, Франции, Китае. В настоящее время разработаны виркаторы с плоскопараллельными электродами и коаксиальные виркаторы с радиально сходящимся пучком. В отражательном триоде с плоскопараллельными электродами СВЧ излучение является многомодовым [1, 3-4], что ограничивает применение триода с ВК на практике.

В виркаторе коаксиального типа с радиально сходящимся пучком легче осуществить одномодовый режим генерации. На возможность генерации в таких системах с радиально сходящимся пучком было указано в теоретических и экспериментальных [5-10] работах, хотя полученная мощность излучения была сравнительно не высока (до 120 МВт). В работе [5] проведено исследование возбуждении неустойчивости электронного пучка в коаксиальном отражательном триоде, методом кинетического уравнения получены инкременты неустойчивости осциллирующих электронов в потенциальной яме.

При возбуждении аксиально-симметричной волны ТМ0х в коаксиальном виркаторе уровень мощности СВЧ излучения существенно зависит от однородности распределения радиально сходящегося пучка по углу, что при работе катода в режиме взрывной электронной эмиссии осуществить проблематично. Мощность излучения в системах с ВК зависит от глубины модуляции по фазе осциллирующих электронов [11-12]. В работе [13] осуществлена дополнительная модуляция электронного потока при формировании пространства дрейфа между двумя сетками-анодами виркатора, в результате КПД излучения увеличен до 8 %.

Экспериментальные и численные исследования генерации ( излучения коаксиального виркатора с радиально сходящимся несимметричным пучком на' основном типе колебаний ТЕп проводятся в работах [14-16, 48-51]. Однако в таком генераторе при формировании двух ВК в пространстве дрейфа цилиндрического резонатора наличие пролетных электронов затрудняет получение эффективной одномодовой генерации. Таким образом, получение одномодовых режимов излучения электромагнитных колебаний генераторов с ВК остается актуальной задачей.

В работе [17] представлена модель планарно-коаксиального отражательного триода, с планарными электродами (катодом и анодом), которая включает в себе преимущества отражательного триода с плоскими электродами и коаксиального отражательного триода с радиальным пучком. Наибольший интерес к такой системе связан с возможностью генерации аксиально-несимметричной волны ТЕ) ь) которая < формирует в свободном пространстве диаграмму направленности излучения с одним максимумом по оси передающей антенны генератора без дополнительных преобразующих устройств

Генерация электромагнитного излучения возможна и в системах с расходящимся электронным пучком, когда радиус катода меньше радиуса анода. В такой системе можно создать условия для образования виртуального катода и осуществить генерацию бездисперсионной ТЕМ моды. В работе [18] впервые рассмотрены коаксиальные отражательные триоды с расходящимся пучком. Стационарное состояние коаксиальных диодов наиболее полно рассмотрены для нерелятивистских ускоряющих напряжений [19-20] и ультрарелятивистских напряжений [21, 54], в работе [22] исследованы стационарные состояния электронного потока и образование ВК в коаксиальном триоде для различных геометрий (сходящийся и расходящийся электронный поток) и широкой области ускоряющих напряжений, включая слаборелятивистские.

Для исследования формирования ВК и генерации электромагнитного излучения в отражательных .триодах применяется численное моделирование с помощью PIC кодов^ одним из которых является PIC код КАРАТ [23]. > •v

Основной целью диссертации является теоретическое, численное и экспериментальное исследование одномодовой генерации электромагнитных колебаний в коаксиальном и планарно-коаксиальном отражательных триодах с радиально расходящимся пучком.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи исследования.

2. Численное исследование методом крупных частиц формирования ВК и возбуждения электромагнитных колебаний в отражательных триодах. . «

3. Экспериментальные исследования генерации электромагнитного излучения планарно-коаксиального и коаксиального отражательных триодов с расходящимся пучком.

Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работе, состоит в следующем.

2. Численно с помощью электромагнитного кода KARAT продемонстрирована возможность генерации электромагнитных колебаний отражательных триодов планарно-коаксиального и коаксиального с радиально расходящимся пучком.

3. Экспериментально получено излучение волны ТЕп в планарно-коаксиальном отражательном триоде.

4. Экспериментально получено излучение волны TMoi коаксиального \ 4 ч \ 1 л ' >j ) Л '' L' \ отражательного1 »триода'(волны I -TMni '/при возбуждении.- неустойчивости " (f радиально расходящегося аксиально-симметричного пучка на ТЕМ волне в коаксиальной области отражательного триода.

Диссертация состоит из четырех глав. В первой главе проводится численное исследование электродинамических характеристик коаксиального и планарно-коаксиального отражательных триодов, передачи электромагнитной энергии в электродинамической структуре триода и диаграммы направленности выходного излучения. Проводится теоретическое исследование взаимодействия колебаний виртуального катода с электромагнитными полями резонансной системы коаксиального отражательного триода. С применением метода крупных частиц (PIC код КАРАТ) исследуется формирование ВК и электромагнитное излучение в отражательных триодах.

В третьей главе проводится экспериментальное и численное исследование генерации электромагнитного излучения планарно-коаксиального триода с ВК. Исследуется влияние количества катодов, их расположения относительно друг друга на мощность излучения.

В четвертой главе проводится экспериментальное и численное исследование генерации электромагнитного излучения в коаксиальном отражательном триоде с расходящимся пучком. Проводится исследование влияния размеров пучка, его местоположения относительно отражателя на ток отражательного триода и характеристики излучения. Проводится анализ экспериментальных и расчетных диаграмм направленности.

На защиту выносятся следующие основные положения диссертации:

1. Взаимодействие с ТЕМ волной осуществляется аксиально-симметричным расходящимся пучком в неодносвязной области коаксиального отражательного триода. Трансформация волны ТЕМ в волну ТМ0| происходит в цилиндрической области триода с коэффициентом прохождения волны порядка единицы на частоте 3 ГГц.

Практическая значимость. Результаты, приведенные в диссертационной работе, применялись при экспериментальном исследовании процесса генерации СВЧ на высоком уровне мощности в лаборатории № 42 ФТИ НИ ТПУ. Они могут быть использованы при разработке новых высокоэффективных приборов на основе систем с ВК и проведении на них экспериментов, а также при разработке и создании диагностики мощных импульсов СВЧ излучения.

Апробация материалов диссертации V

Материалы диссертационной работы обсуждались на научных семинарах кафедры прикладной математики ИК ТПУ и доложены на следующих конференциях и симпозимах: International Symposium on High Current Electronics (Tomsk, 2010, 2012); Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и современные информационные технологии» (Томск, 2010, 2011); International Conference of students and young scientists «Prospects of Fundamental Sciences Development» (Tomsk, 2010); Всероссийская научно-практическая конференция «Научная инициатива иностранных студентов и аспирантов российских вузов» (Томск, 2012); The 7th International Forum on Strategie Technology (IFOST2012) (Tomsk, 2012)

Основные результаты диссертации отражены в 12 печатных работах, опибликованных журналах Изв. Вузов. Физика, Известия Томского политехнического университета, в материалах конференций и симпозиумов.

Заключение диссертации по теме "Физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника"

4.3 Выводы

Экспериментальные и теоретические исследования микроволнового излучения коаксиального отражательного триода с симметричным радиально расходящимся пучком показали, что мощность излучения имеет периодический характер в зависимости от местоположения пучка относительно отражателя и максимальна при ширине пучка 2,4 см в диапазоне частот 2,9.3 ГГц.

Теоретически показано, что в отражательном триоде наибольший коэффициент передачи энергии имеет волна ТЕМ, которая трансформируется в волну ТМоь

Анализ расчетных и экспериментальных диаграмм направленности показывает, что излучение происходит преимущественно на волне ТМ01. Одновременное излучение на волнах ТМ01 и ТЕц обусловлено неоднородной эмиссией электронов с поверхности катода.

Экспериментально получена мощность излучения отражательного триода до 300 МВт при длительности импульса 60 не (на половинном уровне мощности) с частотой 3 ГГц.

Заключение

1. В результате исследования электродинамических систем отражательных триодов показано, что волна ТЕМ трансформируется в ТМ01 волну при выполнении резонансных условий в коаксиальном отражательном триоде. Показано, что критическая частота ТЕп волны незначительно меняется при изменении формы внутреннего проводника.

2. Определены частотные зависимости коэффициентов передачи энергии волн 5 в электродинамических системах отражательных триодов. Получено, что £-0,8 для волны ТЕц и £>0,9 для волны ТЕМ.

5. Проведено моделирование методом крупных частиц формирования ВК и возбуждения электромагнитных колебаний в планарно-коаксиальном и коаксиальных отражательных триодах. Численно показано, что ток и частота излучения коаксиальных триодов при ширине эмиссионной поверхности И>2¿/ практически не зависят от к.

6. Экспериментально и численно показано, что в коаксиальном отражательном триоде со сходящимся пучком увеличение мощности пучка в 7 раз) при увеличении ширины катода (с 2 до 5,5 см) происходит при практически постоянном токе триода и частоте генерации. Экспериментально получена плотность мощности излучения до 10 Вт/см2 на углу 30° и 3 Вт/см2 на оси системы при длительности импульса 60 не (на половинном уровне мощности) с частотой 3 ГГц.

8. Экспериментально подтверждена возможность одномодовой генерации электромагнитного излучения коаксиального отражательного триода с радиально расходящимся пучком. Экспериментально и численно получено, что мощность излучения зависит от местоположения пучка относительно отражателя и имеет экстремальную зависимость от ширины катода. Показано, что излучение коаксиального отражательного триода с расходящимся пучком происходит на ТМ01 волне. Максимальная мощность излучения получена в эксперименте 260-300 МВт на частоте 3 ГГц.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Нгуен Минь Туан, Томск

1. Диденко А.Н., Григорьев В.П., Жерлицын А.Г. Генерация электромагнитных колебаний в системах с виртуальным катодом // В сб.: Плазменная электроника, Под ред. В.И. Курилко. Киев: Наукова думка, 1989.- С. 112-131.

2. Дубинов А.Е., Селемир В.Д. Электронные приборы с виртуальным катодом // Радиотехника и электроника. 2002. - Т. 47. - № 6. - С. 645-672.

3. Жерлицын А.Г., Мельников Г.В., Кузнецов С.И. Экспериментальные исследования влияния внешнего контура на процесс генерации в триоде с виртуальным катодом // Радиотехника и электроника. 1990. - Т. 35. - № 6. - С. 1274-1278.

4. Григорьев В.П., Коваль Т.В. Теория генерации электромагнитных колебаний // Известия вузов. Физика. 1998. - Т. 41. - № 4 - С. 169-182.

5. Григорьев В.П. Электромагнитное излучение в коаксиальном триоде с виртуальным катодом // Журнал технической физики. 1994. - Т. 64. - № 7. -С. 122-129.

6. Жерлицын А.Г. Генерация СВЧ излучения в триоде с виртуальным катодом коаксиального типа// Письма в ЖТФ. 1990.- Т. 16.- Вып. 22. - С. 78-80.

7. Debarbara Biswas and Raghwendra Kumar. Sensitive dependence of efficiency on cathode-wall position in coaxial vircator- numerical studies // IEEE Trans. Plasma Sci., vol. 39, No. 7, pp. 1573-1576, Jul. 2011.

8. Jiang W M., Woolvrton K., Dickens J., Kristiansen M. High Power Microwave Generation by a Coaxial Virtual Cathode Oscillator // IEEE transaction on plasma science. 1999. - V. 27. № 5. - P. 1538-1542.

9. Антошкин М.Ю., Григорьев В.П., Коваль Т.В. Численная модель для исследования возбуждения аксиально-несимметричных волн в коаксиальных виркаторах // Радиотехника и электроника. 1995. - № 8. - С. 1300-1305.

10. Григорьев В.П., Антошкин М.Ю., Коваль Т.В. Численное исследование излучения аксиально-симметричных электромагнитных волн в коаксиальных триодах с виртуальным катодом // Радиотехника и электроника. 1995. - Т. 40. - № 4. - С. 628-634.

11. Коваль Т.В. Излучение потока осциллирующих электронов при возбуждении параметрических колебаний // Известия вузов. Физика. 1997. -Т. 40.-№ 10.-С. 103-106.

12. Григорьев В.П., Коваль Т.В. Модуляция электронного потока со сверхпредельным током в системах с пространством дрейфа // Известия Томского политехнического университета. 2006. - Т. 309. - № 5. - С. 2834.

13. Wenyuan Yang, Zhiwei Dong, and Ye Dong. Numerical studies of a new-type vircator with a resonant cavity // IEEE Trans. Plasma Sci., vol. 38, No. 9, pp. 2428-2433, Sep. 2010.

14. Yongpeng Zhang, Guozhi Liu, Hao Shao et al. Numerical and experimental studies on frequency characteristics of ТЕ. rmode enhanced coaxial vircator // IEEE Trans. Plasma Sci., vol. 39, No. 9, pp. 1762-1767, Sep. 2011.

15. Qingzi Xing, Jian Wu, Shuxian Zheng, and Chuanxiang Tang, Mode analysis of high-power microwave generation in the inward-emitting coaxial vircator based1 ■ on computer simulation // IEEE Trans. Plasma Sci., vol. 37, No. 2, pp. 298-303, Feb. 2009.

16. Григорьев В.П., Коваль T.B., Мельников Г.В., Рахматуллин P.P. Коаксиальный отражательный триод с радиально-расходящимся пучком // Известия Томского политехнического университета. 2009. - Т. 314. - № 4. -С. 123-127.

17. Langmuir I., Blodgett К.В. Currents limited by space charge between coaxial cylinders // Phys. Rev. 1923. - Vol. 22. - pp. 347-356.

18. Рухадзе A.A., Рыбак П.В., Ходотаев Я.К., Шокри В. О предельных токах электронных пучков в коаксиальных системах // Физика плазмы. 1996. -Т. 22.-№4. с. 358-366.

19. Wheeler C.B. Space charge limited current flow between coaxial cylinders at potentials up to 15 MV // J. Phys. A: Math. Gen. 1977. - Vol. 10. - № 4. - P. 631-636.

20. Григорьев В.П., Коваль T.B., Рахматуллин P.P. Самосогласованное стационарное состояние потока электронов в коаксиальных отражательных триодах // Известия Томского политехнического университета, 2008. т.313 - № 2. - с. 70-73 (72386984)

21. Tarakanov V.P. // User's Manual for Code KARAT Springfield. VA: Berkley Research Associates Inc. 1992.

22. А.Г. Жерлицын, Т.В. Коваль, Г.Г. Канаев, Т.М. Нгуен. Исследование генерации электромагнитного излучения в коаксиальном виркаторе с расходящимся пучком // Известия Томского Политехнического Университета, Том 321, №2, 2012 с. 81-85.

23. Г.В. Мельников, Т.В. Коваль, А.Л. Марченко, Н.М. Туан. Несимметричный коаксиальный отражательный триод с виртуальным катодом // Известия Вузов. Физика. -2010. Т.53. - №10/2. - с. 237-240.

24. Жерлицын А.Г., Канаев Г.Г., Коваль Т.В., Нгуен Т.М., Марченко А.Л. Исследование возбуждения электромагнитных колебаний в планарно-коаксиальном триоде с виртуальным катодом // Известия Вузов. Физика. -2011. -Т.54. -№ 11/2.-с. 209-214.

25. А.Г. Жерлицын, T.B. Коваль, Г.Г. Канаев, Т.М. Нгуен. Исследование электродинамических и излучательных характеристик коаксиальных триодов с виртуальным катодом // Вестник науки Сибири, Электронный журнал ТПУ, Том 4, № 3, 2012 с. 209-214.

26. Ч 1 ' , ' i V 1 ' < Л * , 'Л I1 > •; , , ' , 1 t. ,«i г ' ' i i1 ' ' ' i' , ' ' S , ? mi

27. Семенов H.A. Техническая электродинамика. М.: Связь, 1973. - 486 с.

28. Сазонов Д. М. Антенны и устройства СВЧ. М.: Высш. шк, 1988. - Р. 432.

29. Гошин Г.Г. Устройства СВЧ и антенны. Учебное пособие. 2003. Ч. 2.

30. И.В.Лебедев, «Техника и приборы СВЧ», Под ред. академика Н.Д.Девяткова, Том 1, 1970г.

31. Ландау, Л.Д., Лнфшнц, Е.М. Квантовая механика (нерелятивистская теория). Издание 4-е. - М.: Наука, 1989. - 768 с. - («Теоретическая физика», том III).

32. Вайнштейн Л.А. Электромагнитные волны. М.: Радио и связь, 1988. - 440 с.

33. Григорьев Ю. Н., Вшивков В. А., Федорук М. П. Численное моделирование методами частиц-в-ячейках, Изд. СО РАН, 2004. - 360 с.

34. J. Benford, J. Swegle, and E. Schamiloglu, High Power Microwaves.,2nd ed. New York: Taylor & Francis, 2007.

35. C. Moller, M. Elfsberg, A. Larsson, and S. E. Nyholm, "Experimental studies of the influence of a resonance cavity in an axial vircator," // IEEE Trans. Plasma Sci., vol. 38, No. 6, Jun. 2010.

36. J. Benford, D. Price, H. Sze, and D. Bromley, "Interaction of a vircator microwave generator with an enclosing resonant cavity," // J. Appl. Phys., vol. 61, no. 5, pp. 2098-2100, Mar. 1987.

37. W. Jiang, N. Shimada, S. Prasad, and K. Yatsui, "Experimental and simulation studies of new configuration of virtual cathode oscillator," // IEEE Trans. Plasma Sci., vol. 32, no. 1, pp. 54-59, Feb. 2004.

38. T. Hurtig, C. Moller, A. Larsson, and S. E. Nyholm, "Numerical simulation of direct excitation of the TE11 mode in a coaxial vircator," // Proc.lst Euro-Asian Pulsed Power Conf., Sep. 2006, pp. 545-548.

39. G. Z. Liu, H. Shao, Z. F. Yang, Z. M. Song, С. H. Chen, J. Sun, and Y. P. Zhang, "Coaxial cavity vircator with enhanced efficiency," // J. Plasma Phys., Vol. 74, no. 2, pp. 233-244, Apr. 2008.

40. H. Shao, G. Z. Liu, and Z. F. Yang, "High efficient TE11 mode enhanced coaxial vircator," // High Power Laser Particle Beams, Vol. 18, no. 2, pp. 230-234, Feb. 2006.

41. W. Jiang, K. Masugata, and K. Yatsui, "Mechanism of microwave generation by virtual cathode oscillation," // Phys. Plasmas, Vol. 2, no. 3, pp. 982-986, Mar. 1995.

42. Wook Jeon, Kew Yong Sung, Jeong Eun Lim, Ki Baek Song, Yoonho Seo, Eun Ha Choi, A Diode Design Study of the Virtual Cathode Oscillator With a RingType Reflector // IEEE Trans. Plasma Sci., Vol. 33, No. 6, pp. 2011-2016, Dec. 2005.

43. Eun-Ha Choi, Myoung-Chul Choi, Yoon Jung, Min-Woo Choug, Jae-Jun Ko, Yoonho Seo, Gaungsup Cho. "High-Power Microwave Generation from an Axially Extracted Virtual Cathode Oscillator" // IEEE Trans. Plasma Sci. Vol. 28, No. 6, pp 2128-2134, Dec 2000.

44. R. B. Miller, An Introduction to the Physics of Intense Charged Particle Beam. (Plenum, New York, 1982), Chaps. 2, 3 and 5.

45. J. D. Lawson, The Physics of Charged-Particle Beams (Clarendon, Oxford, 1977), Chap. 3.

46. S.H. Gold and G.S.Nusinovich, "Review of high-power microwave source research," Rev. Sci. Instrum., vol. 68, no. 11, pp. 3945-3974, November 1997.

47. D. Sullivan, J. Walsh, and E. Coutsias, "Virtual cathode oscillator (vircator) theory", Eds. Norwood, MA: Artech House, 1987, pp. 441-506.

48. M. V. Fazio, R. F. Hoeberling, and J. Kinross-Wright, "Narrow-band microwave generation from an oscillating virtual cathode in a resonant cavity," // J. Appl. Phys., vol. 65, no. 3, pp. 1321-1327, Feb. 1989.

49. D. Biswas, "A one-dimensional basic oscillator model of the vircator" // Phys. Plasmas, vol. 16, no. 6, pp. 063 104-1-063 104-6, Jun. 2009.

50. D. Biswas and R. Kumar, "Efficiency enhancement of the axial vircator" // IEEE Trans. Plasma Sci., vol. 35, no. 2, pp. 369-378, Apr. 2007.

51. Yovchev, I.G., Kostov, K.G., Barroso, J.J., Nikolov, N.A., Power and efficiency enhancement of reflex-triode virtual-cathode oscillator operating at short pulse // IEEE Trans. Plasma Sci., vol. 26, no. 3, pp. 767-773, Jun. 1998.

52. Roy, A., Sharma, A., Mitra, S., Menon, R., Sharma, V., Nagesh, K.V., Chakravarthy, D.P., Oscillation Frequency of a Reilex-Triode Virtual Cathode Oscillator // IEEE Trans. Electron Devices., vol. 58, No. 2, pp. 553-561, Feb. 2011.

53. Chang-Sing Hwang, Mien-Win Wu. A high power microwave vircator with an enhanced efficiency // IEEE Trans. Plasma Sci., vol. 21, No. 2, pp. 239-242, Apr.

54. Hanjo Hideshi, Nakagawa Yoshiro. Generation of intense pulsed microwave from a high-density virtual cathode of a reflex triode // Journal of Applied Physics, vol. 70, No. 2, pp. 1004-1010, Jul. 1991.

55. S. Burkhart, "Multigigawatt microwave generation by use of a virtual cathode oscillator driven by a 1-2 MV electron beam" // J. Appl. Phys., volume 62, pp. 75-78, 1987.

56. R. A. Mahaffey, P. Sprangle, J. Golden and C. A. Kapetanakos. Highpower microwaves from a nonisochronic reflecting electron system // Phys.1 Rev. Lett., volume 39, pp. 843-846,1977.

57. R. A. Mahaffey, P. Sprangle, J. Golden and C. A. Kapetanakos. Highpower microwaves from a nonisochronic reflecting electron system. // Phys. Rev. Lett., volume 39, pp. 843-846, 1977.

58. Xiaodong Chen, Wee Kian Toh, and Peter A. Lindsay. Physics of the Interaction Process in a Typical Coaxial Virtual Cathode Oscillator Based on Computer Modeling Using MAGIC // IEEE Trans. Plasma Sci. vol. 32, No. 3, pp. 1191— 1199, Jun. 2004.

59. Q. Z. Xing, D. Wang, F. Huang, and J. K. Deng. Two-dimensional theoretical analysis of the dominant frequency in the inward-emitting coaxial vircator // IEEE Trans. Plasma Sci., vol. 34, no. 3, pp. 584-589, Jun. 2006.1993.