Плазменный релятивистский СВЧ-генератор в численных моделях

Павлов, Дмитрий Андреевич

Плазменный релятивистский СВЧ-генератор в численных моделях тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

Павлов, Дмитрий Андреевич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2010 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.08 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Плазменный релятивистский СВЧ-генератор в численных моделях»

Автореферат диссертации на тему "Плазменный релятивистский СВЧ-генератор в численных моделях"

Учреждение Российской академии наук Институт общей физики им. A.M. Прохорова РАН

На правах рукописи

Павлов Дмитрий Андреевич

ПЛАЗМЕННЫЙ РЕЛЯТИВИСТСКИЙ СВЧ-ГЕНЕРАТОР В ЧИСЛЕННЫХ МОДЕЛЯХ

01.04.08 - физика плазмы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

1 1 MAP 2№

Москва — 2010

003493344

Работа выполнена в Институте общей физики им. А.М. Прохорова РАН

Защита состоится «15» марта 2010 г. в 15.00 часов на заседании Диссертационного совета Д002.063.03 Института общей физики РАН по адресу: 119991, ГСП-1, Москва, ул. Вавилова, 38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИОФ РАН. Автореферат разослан «12» февраля 2010 г.

Научный руководитель

доктор физико-математических наук О.Т. Лоза (ИОФ РАН) доцент, доктор физико-математических наук Н. Г. Гусейн-заде (ИОФ РАН)

Официальные оппоненты:

кандидат физико-математических наук В. Н. Корниенко (ИРЭ РАН)

Ведущая организация:

Институт сильноточной электроники (ИСЭ) СО РАН

Ученый секретарь Диссертационного совет! кандидат физико-математических наук тел. 8 (499) 503-81-47

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы

Явление плазменно-пучковой неустойчивости хорошо изучено теоретически. Построение теории плазменного релятивистского СВЧ-усилителя в приближении Он >> <Ц, Щн - циклотронная частота электронов пучка, С0р - ленгмюровская частота электронов плазмы) для бесконечно длинных пучка и плазмы в целом завершено. Однако для плазменного релятивистского СВЧ-генератора принципиальной является ограниченность области плазменно-пучкового взаимодействия, которая является частью резонансного контура. Теории, полностью описывающей процессы в плазменных релятивистских СВЧ-генераторах, в настоящий момент не существует, и численное моделирование является единственным способом исследования, результаты которого в дальнейшем проверяются на экспериментальных установках.

Согласно современной теории плазменного релятивистского СВЧ-генератора, он обладает возможностью перестройки частоты СВЧ-излучения в широком диапазоне частот. Регулировка частоты выходного сигнала происходит за счет изменения плотности плазмы. В существующих теоретических работах не указан характер спектра выходного сигнала, и обычно предполагается, что спектр сплошной, однако в некоторых экспериментах наблюдался дискретный спектр на выходе из плазменного СВЧ-генератора. В Главе 3 диссертационной работы подробно рассматриваются условия генерации различных спектров, и показаны недостатки существующей теории.

большому количеству исследований удалось выявить и устранить целый ряд причин, приводящих к укорочению СВЧ-импульса в релятивистских СВЧ-генераторах. В вакуумных СВЧ-генераторах высокой мощности принципиально неустранимой причиной срыва процесса генерации СВЧ-излучения является образование плазмы в замедляющей структуре вследствие бомбардировки ее стенок электронами релятивистского пучка и/или СВЧ-разряда. В приборах плазменной СВЧ-электроники заряд релятивистского электронного пучка (РЭП) экранируется заранее созданной трубчатой плазмой, что позволяет существенно увеличивать радиус волновода, уменьшая возможность возникновения паразитной плазмы на стенках. Тем не менее даже при существенно увеличенном расстоянии между каналом транспортировки электронов и стенкой в экспериментах с плазменными СВЧ-генераторами было замечено укорочение СВЧ-импульса, однако специальных экспериментальных исследований на эту тему не проводилось. Причины укорочения СВЧ-импульсов в плазменных релятивистских СВЧ-генераторах рассматриваются в Главе 4 диссертационной работы.

Цели диссертационной работы

С помощью методов численного моделирования:

1. определить методы изменения частоты и ширины спектра СВЧ-излучения плазменного релятивистского СВЧ-генератора;

2. найти причины наблюдающегося в эксперименте эффекта укорочения СВЧ-импульсов плазменного релятивистского СВЧ-генератора.

Научная новизна

1. Впервые показана возможность построения плазменного релятивистского СВЧ-генератора со стабильной от импульса к импульсу частотой СВЧ-излучения при флуктуациях плотности плазмы.

2. Впервые продемонстрирована возможность как ступенчатой, так и непрерывной регулировки частоты СВЧ-излучения плазменного релятивистского СВЧ-генератора.

3. Впервые найдены способы управления шириной спектра излучения плазменного релятивистского СВЧ-генератора

4. Впервые найдена причина укорочения СВЧ-импульса плазменного релятивистского СВЧ-генератора.

Защищаемые положения

1. Частота излучения плазменного релятивистского СВЧ-генератора при изменении концентрации плазмы изменяется дискретно и непрерывно изменяется при плавном изменении длины плазменно-пучкового взаимодействия.

2. Одновременное возбуждение нескольких продольных мод позволяет изменять ширину спектра излучения плазменного релятивистского СВЧ-генератора.

3. Деградация профиля плотности плазмы под воздействием сильных электромагнитных полей приводит к уменьшению длительности СВЧ-импульса плазменного релятивистского СВЧ-генератора.

Научная и практическая ценность результатов

Плазменный релятивистский генератор (ПРГ) СВЧ-излучения — это источник СВЧ-импульсов субгигаваттного уровня мощности, один из многих приборов релятивистской сильноточной СВЧ-электроники. Он может работать в режиме, характерном для вакуумных СВЧ-генераторов, т. е. излучать одну и ту же частоту от импульса к импульсу. ПРГ принципиально отличается от своих вакуумных аналогов тем, что свойства его замедляющей структуры — плазмы — быстро и легко могут быть изменены в широких пределах, благодаря чему появляется уникальная возможность управления частотой и шириной спектра СВЧ-излучения. Эта

возможность заметно выделяет ПРГ в ряду других приборов релятивистской сильноточной СВЧ-электроники.

Изложенные в настоящей работе результаты получены путем оценок, расчетов в рамках линейной теории и численного моделирования. Значительная их часть нашла подтверждение на практике, а для других предложены сравнительно простые пути экспериментальной реализации. Результаты настоящих исследований уже используются при разработке широкополосных перестраиваемых СВЧ-генераторов на базе импульсно-периодического электронного ускорителя "Синус-550-80" в рамках совместного проекта Института общей физики РАН и Института сильноточной электроники СО РАН.

Публикация и апробация результатов

По материалам диссертации опубликованы в 4 статьи [1—4] в научных журналах.

Результаты исследований докладывались и опубликованы в материалах [5—9] конференций, а именно:

• 33-ая международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и УТС, г. Звенигород, 13-17 февраля 2006 г.

• 34-ая международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и УТС, г. Звенигород, 12-16 февраля 2007 г.

• 35-ая международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и УТС, г. Звенигород, 11-15 февраля 2008 г.

• European Electromagnetics Symposium EUROEM 2008, 21-25 July 2008, Lausanne, Switzerland.

• 36-ая международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и УТС, г. Звенигород, 9-13 февраля 2009 г.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Полный объем диссертации составляет 99 страницы, включая 43 рисунка и список литературы из 66 наименований.

Краткое содержание диссертации

Диссертация состоит из введения, 4-х глав и заключения.

Глава 1 посвящена обзору работ, опубликованных по теме выполненных исследований.

В Главе 2 подробно рассматриваются численные модели, используемые автором для выполнения работы. Основная часть исследований выполнялась при помощи кода КАРАТ, в диссертационной работе использовались аксиально-симметричные 2.5-мерная 11-2 и 3-х мерная ХУ7 версии кода. Успешно применялась также 2.5-мерная модель с плазмой, задаваемой методом крупных частиц (рагйск-т-сеН, Р1С-метод).

Для выполнения работы автором были также созданы два программных кода, позволяющие рассчитывать инкременты усиления пучково-плазменной системы и коэффициенты отражения для выходного устройства плазменного релятивистского СВЧ-генератора. Результаты расчетов, проведенных при помощи этих программных кодов, дают представления об общих закономерностях работы экспериментальных установок.

I V« 1 1 1 1 1 1 I \ \_Г,

[ .........>

1 а. ......... .........

Н- 1-*

Рис. 1. Схема плазменного релятивистского источника СВЧ-излучения. Трубчатый РЭП с радиусом гь и трубчатая плазма с радиусом гр в металлическом волноводе радиуса К. Стрелкой показано направление движения электронов РЭП.

Глава 3 посвящена управлению спектром излучения плазменного релятивистского СВЧ-генератора и вопросу стабилизации частоты излучения. На Рис. 1 представлена принципиальная схема плазменного релятивистского СВЧ-генератора. Трубчатый релятивистский электронный пучок (РЭП) и трубчатая плазма помещены в металлический волновод радиуса Я в сильном продольном магнитном поле. Электроны и плазма проникают в систему через прозрачную для них левую границу, а справа ограничены коаксиальным электродом с радиусом гс. СВЧ-излучение выходит через прозрачную правую границу.

Во ведении к Главе 3 показано, что в одном импульсе излучения, когда плотность плазмы не меняется, т. е. при неизменной дисперсионной характеристике плазменной волны, может генерироваться набор частот. Интервал между этими частотами, которые соответствуют разным продольным модам излучения, зависит от длины резонатора и имеет порядок сотен мегагерц. При изменении концентрации плазмы частота излучения меняется тоже дискретно и приблизительно с таким же интервалом.

В проведенном численном эксперименте [1, 5] ПРГ "генерировал" СВЧ-импульс с узким спектром. На Рис. 2 показана зависимость частоты излучения от концентрации плазмы. Вертикальными линиями обозначена ширина спектра, она зависит от длительности интервала 20 не, на котором определялся спектр СВЧ-импульса. Видно, что существуют интервалы изменения концентрации, где частота излучения растет медленно, а между этими интервалами изменение частоты происходит скачкообразно. Это обстоятельство позволяет избежать разброса частоты СВЧ-генерации от

5.5

4.5

3.5

ОН*

•1-Й

..........И

1.1

•г

Пр, 1012 ст"3

3.5

4.5

5.5

Рис. 2 Зависимость [1] частоты СВЧ-излучения/от концентрации плазмы пр. Вертикальными линиями отмечена ширина спектра импульсов.

импульса к импульсу при небольших флюктуациях плотности плазмы. Для

этого необходимо задать шаг изменения частоты настолько большим, чтобы

возбуждалась только одна продольная мода колебаний. В эксперименте

разброс значений концентрации плазмы в режиме генерации одиночных СВЧ-

импульсов не превышает 5% (для частотно-периодического режима он

значительно меньше). Если значение концентрации выбрано в середине

интервала "медленного" изменения частоты (напр., 4.6-1012 см"3 на Рис. 1), то

разброс частот излучения будет 75 МГц, т.е. порядка естественной ширины спектра импульса 50 МГц. Среднее значение мощности выходного сигнала составляло около 160 МВт, при этом разброс значений мощности в интервалах «медленного» изменения частоты не превышал 25%.

На Рис. 3 приведены экспериментальные результаты [2] измерения частот излучения в нескольких СВЧ-импульсах при последовательно меняющейся концентрации плазмы. Результаты получены с помощью

Рис. 3 Величина мощности, отнесенная к единице интервала частот излучения ПРГ [2] в 6 СВЧ-импульсах, полученных при последовательно меняющейся концентрации плазмы. Стрелкой показана частота отсечки запредельного волновода 9.75 ГГц.

гетеродина с частотой =8.89 ГГц. Излучение принималось волноводной

антенной и проходило через волновод с частотой отсечки /сМ = 9.75 ГГц,

поэтому данные на графике показаны, начиная с этой частоты. При всех

значениях концентрации плазмы генерируется излучение с относительно

узким спектром, его ширина на полувысоте ~ 100 МГц. Заметим, что при

длительности импульса 30 не характерная ширина спектра не может быть

меньше 30 МГц.

В экспериментальных ПРГ перестройка частоты излучения достигается изменением плотности плазмы; как было показано выше, это приводит к дискретному изменению частоты. Способ непрерывной перестройки частоты ПРГ, работающего в режиме излучения узкой спектральной линии, также существует и пригоден для практической реализации, он связан с механическим изменением длины плазменно-пучкового взаимодействия Ь.

На Рис. 4 показаны частоты излучения ПРГ [3] для разных значений Ь, длина вертикальных отрезков соответствует естественной ширине спектра, зависящей от длительности импульса. Кругами обозначены спектры,

5.1 1, ГГц

5 4.9 4.8 4.7 4.6 4.5 4.4

4.3

12.5

—I—

13.5

14.5

' ■ >

15 15.5 1_, см

Рис. 4 Частоты излучения ПРГ [3] для разных значений длины Г и одинаковой концентрации плазмы. Кругами обозначены частоты, которые могут быть получены при одинаковой длине I. и разной концентрации плазмы.

соответствующие двум соседним продольным модам, которые сменяют друг друга при изменении концентрации плазмы. При уменьшении длины от 15 до 13 см частота меняется от 4.4 до 4.9 ГГц, что позволяет полностью перекрыть диапазон частот между соседними продольными модами. Мощность

выходного излучения при описанном изменении частоты меняется в диапазоне приблизительно от 150 до 180 МВт.

Описанный способ изменения частоты излучения достаточно легко реализуется в эксперименте изменением положения края коллектора, который, в отличие от большинства вакуумных релятивистских СВЧ-генераторов, выполнен в виде центрального электрода в коаксиальном волноводе. При использовании вакуумно-плотной трансмиссии и электродвигателя с дистанционным управлением процесс изменения положения коллектора может длиться несколько секунд. Если коллектор перемещать во время прохождения пачки импульсов, частоту излучения можно последовательно изменять в диапазоне между частотами соседних продольных мод генератора.

Для рассмотренных в данной работе параметров ПРГ минимально возможное изменение частоты излучения изменением плотности плазмы порядка 1 ГГц. Частота посылки импульсов в периодическом режиме работы существующих ускорителей релятивистских электронов обычно находится в пределах 10 — 103Гц, пачка импульсов длится несколько секунд, число импульсов в пачке -100. Минимальная ширина спектра СВЧ-импульса определяется его длительностью и для типичного значения < 50 не превышает 20 МГц. Сто СВЧ-импульсов с указанной шириной спектра и последовательно изменяющейся частотой полностью перекрывают интервал ~ 1 ГГц. Если мощность ПРГ 50 МВт (максимально достигнутая в экспериментах мощность была на порядок больше: 500 МВт), то описанный выше пример иллюстрирует возможность облучения объекта в течение несколько секунд СВЧ-импульсами со спектральной плотностью мощности ~5 Вт/Гц равномерно в интервале ~ 1 ГГц, при этом центральная частота может быть от 1.5 до ~30 ГГц.

Глава 4 диссертации посвящена эффекту укорочения СВЧ-импульса в плазменном релятивистском СВЧ-генератора. Описаны результаты первого численного моделирования [4] плазменного релятивистского СВЧ-генератора,

Рис. 5 Интегральные по длине СВЧ-генератора [4] радиальные профили плотности ^ ионов плазмы криптона для геометрии ПРГ, изображенной на Рис. 1, для моментов времени: 1 — 0 не; 2 — 20 не; 3 — 40 не

где не только электроны, но и ионы представлены "крупными частицами", обладающими конечной массой и движущимися под действием электромагнитных полей. Такой подход позволил впервые в численном моделировании ПРГ зарегистрировать эффект окончания СВЧ-излучения через ~10нс после начала взаимодействия плазмы и релятивистского электронного потока.

В работе продемонстрировано, что укорочение СВЧ-импульса в плазменном релятивистском СВЧ-генераторе связано с деградацией профиля плотности плазмы, которая происходит как в радиальном, так и в продольном направлении.

На Рис. 5 показано изменение с течением времени суммированного по

длине радиального профиля плотности ионов для плазмы криптона, данные

получены в расчетах с плазмой, заданной РЮметодом. В течение 40 не стенка

плазменной трубки расширяется по радиусу, максимальная концентрация ионов уменьшается вдвое, при этом радиальное движение ионов особенно заметно в сторону оси, т.е. по направлению к каналу транспортировки РЭП. Похожим образом ведет себя и радиальное распределение медленных электронов (электронов плазмы и электронов эмитированных с поверхности коллектора), т.е. частиц, определяющих ленгмюровскую частоту и, в конечном счете, частоту и эффективность плазменно-пучкового взаимодействия. Максимум концентрации электронов также уменьшается вдвое при увеличении толщины плазменной трубки.

Рис. 6, СВЧ-поля на внутренней по радиусу границе плазмы. 1 — продольное электрическое поле Е2; 2 — азимутальное магнитное поле В<р.

Основной причиной радиального движения ионов плазмы является дрейф в скрещенных СВЧ-полях: азимутальном магнитном В,, и продольном электрическом Ег поперек ведущего магнитного поля В0. На Рис. 6 показаны

типичные зависимости указанных компонентов полей в течение 0.3 не,

среднее значение дрейфовой скорости ~~ с д2 имеет порядок 10 см/с.

"а

ю-864 -2 -0

Рис. 7 Распределение погонной плотности электронов пр по длине СВЧ-генератора для моментов времени: 1 — 0 не; 2 — 15 не; 3 — 25 не. 2=0 — плоскость инжекции РЭП, г= 15 см — коллектор.

Интересной особенностью ПРГ является обнаруженная неоднородность распределения плазмы по длине, см. Рис. 7, а именно, две области почти полного отсутствия плазмы на левой и правой границах пространства плазменно-пучкового взаимодействия. Продольный размер этих областей растет со временем, а скорость роста тем меньше, чем тяжелее ионы плазмы. Происхождение таких почти свободных от плазмы промежутков связано с торможением и ускорением электронов РЭП на левой и правой границах области плазменно-пучкового взаимодействия, см. Рис. 1. Электроны релятивистского пучка благодаря пространственному заряду имеют потенциал равный нескольким десяткам киловольт, везде, кроме плоскости инжекции РЭП слева и коллектора справа, где их кинетическая энергия максимальна.

Изменение скорости релятивистских электронов обеспечивается соответствующей конфигурацией силовых линий электростатического поля РЭП, а именно, наличием продольного компонента на левой и правой границах. Это продольное электрическое поле с напряженностью ~ 100 кВ/см воздействует также и на частицы плазмы, заставляя ионы двигаться к середине системы и прижимая электроны к проводящим (металлическим) границам, где они исчезают. Плотность ионов в приграничных по длине областях снижается, позволяя снижаться и плотности компенсирующих их заряд электронов.

Промежуток между краем плазменного цилиндра и коллектором растет тем быстрее, чем легче ионы, что иллюстрирует Рис. 8. Тем не менее, когда длина этого промежутка достигает 6...7 мм, СВЧ-излучение прекращается независимо от массы ионов плазмы, на Рис. 8 этот момент отмечен на всех кривых, соответствующих ионам разной массы.

Рис. 8 Изменение со временем I ширины Д области у коллектора с пониженной концентрацией плазмы для 4 сортов ионов: 1 — гелий; 2— азот; 3 — криптон; 4 — ксенон. Квадратами указаны моменты окончания СВЧ-излучения.

Для выяснения механизма этого явления были проведены расчеты коэффициента отражения плазменной волны от коллектора для разных длин промежутка между краем плазменного цилиндра и коллектором при отсутствии РЭП. СВЧ-импульс с длительностью 3 не на частоте генерации ПРГ (-10 ГГц) возбуждал плазменную волну на левой границе и распространялся в сторону коллектора, где частично отражался. Длина системы выбиралась достаточно большой, чтобы возбуждаемую и отраженную волны можно было наблюдать по отдельности. По отношению амплитуд отраженной и возбуждаемой волн определялся коэффициент отражения, результаты показаны на Рис. 9. С увеличением промежутка между плазмой и коллектором от нуля до ~1 см коэффициент отражения падает от 0.64 до 0.18, т.е. более чем в 3.5 раза, а отраженная мощность уменьшается более чем на порядок.

Рис. 9 Коэффициент отражения К плазменной волны от коллектора в зависимости от длины (1 промежутка между краем плазменного цилиндра и коллектором.

Таким образом, рассмотренный механизм укорочения СВЧ-импульса в ПРГ сводится, вкратце, к следующему. Электростатическое поле РЭП вызывает уход плазмы из области, непосредственно граничащей с

коллектором. Продольный размер этой области, где концентрация плазмы уменьшается на порядок, растет с течением времени. По этой причине происходит постепенное уменьшение коэффициента отражения плазменной волны в несколько раз, нарушаются условия самовозбуждения генератора, и процесс СВЧ-генерации прерывается. Длина плазменно-пучкового взаимодействия также постепенно уменьшается, снижая суммарное усиление попутной релятивистским электронам волны, но это уменьшение не столь существенно, как нарушение обратной связи в генераторе.

Выводы

В ходе выполнения данной работы были получены следующие результаты.

1. Результаты численного моделирования плазменного релятивистского СВЧ-генератора показали, что дискретное изменение частоты излучения при изменении концентрации плазмы позволяет избежать разброса частоты СВЧ-генерации от импульса к импульсу при небольших флюктуациях плотности плазмы. Для этого необходимо задать шаг изменения частоты настолько большим, чтобы возбуждалась только одна продольная мода колебаний.

2. Продемонстрирована возможность непрерывного изменения частоты излучения плазменного релятивистского СВЧ-генератора и управления шириной спектра. Показано, что расширять спектр частот, излучающихся в одном СВЧ-импульсе, можно при одновременном возбуждении нескольких продольных мод, частоты которых имеют регулируемую разницу.

3. Применение модели крупных частиц для моделирования плазмы позволило обнаружить механизм ограничения длительности СВЧ-импульса плазменного релятивистского СВЧ-генератора. Показано, что профиль плотности плазмы деградирует под воздействием сильных электромагнитных полей, что нарушает условия автогенерации, но этот процесс замедляется с увеличением массы ионов плазмы

Опубликованные материалы диссертации

1. Богданкевич И.Л., Лоза О.Т., Павлов Д.А. «О стабильности частоты излучения плазменных релятивистских СВЧ-генераторов» // Письма в ЖТФ, 2007, том 33, в. 15, с. 1.

2. Богданкевич И.Л., Гришин Д.М., Гунин А.В., Иванов И.Е., Коровин С.Д., Лоза О.Т., Месяц Г.А., Павлов Д.А., Ростов В.В., Стрелков П.С., Ульянов Д.К. «Импульсно-периодический плазменный релятивистский СВЧ-генератор с управляемой в каждом импульсе частотой излучения» // Физика плазмы, 2008, том 34, №10, с. 926-930.

3. Богданкевич И.Л., Лоза О.Т., Павлов Д.А. «Управление спектром излучения плазменных релятивистских СВЧ-генераторов» // Физика плазмы, 2009 г., том 35, №3, с. 211-218.

4. Богданкевич И.Л., Лоза О.Т., Павлов Д.А. "Укорочение импульса излучения плазменного релятивистского СВЧ-генератора в численных расчетах с моделированием плазмы по методу крупных частиц" // "Краткие сообщения по физике ФИАН", 2010, в. 2, с. 16-30

5. Богданкевич И.Л., Лоза О.Т., Павлов Д.А. «О стабильности частоты излучения плазменных релятивистских СВЧ-генераторов» // XXXIV Международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу, 2007 г., с.292.

6. Богданкевич И.Л., Лоза О.Т., Павлов Д.А. «Способы изменения частот излучения плазменных релятивистских СВЧ-генераторов» // XXXV Международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу, 2008 г., с.284

7. Loza О. Т., Bogdankevich I. L., Pavlov D. A. Control over the Radiation Spectra of Broadband Plasma Relativistic HPM Oscillators // European Electromagnetics Symposium EUROEM 2008, 21-25 July 2008, Lausanne, Switzerland, p.224.

8. Loza О. T., Bogdankevich I. L., Grishin D. M., Gunin A. V., Ivanov I. E., Korovin S. D„ Mesyats G. A., Pavlov D. A., Rostov V. V., Strelkov P. S., Ulianov D. K. Repetitively-Rated Plasma Relativistic Microwave Oscillator with Tunable Radiation Frequency in Every Pulse (invited) // European Electromagnetics Symposium EUROEM 2008, 21-25 July 2008, Lausanne, Switzerland, p.26.

9. Богданкевич И.Л., Лоза O.T., Павлов Д.А. «Укорочение импульса излучения плазменного релятивистского СВЧ-генератора в численных расчетах с моделированием плазмы по методу крупных частиц» // XXXVI Международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу, 2009 г., с.326.

Подписано в печать 01 февраля 2010 г.

Формат 60x90/16

Объём 1,0 п. л.

Тираж 100 экз.

Заказ № 100210277

Оттиражировано на ризографе в ООО «УниверПринт» ИНН/КПП 7728572912У772801001

Адрес: 119333, г. Москва, Университетский проспект, д. 6, кор. 3.

Тел. 740-76-47, 989-15-83.

http://www.univerprint.ru

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Павлов, Дмитрий Андреевич

Оглавление.

Введение.

§1. Актуальность работы.

§2. Цели диссертационной работы.б

§3. Научная новизна.

§4. Научная и практическая ценность результатов.

§5. Публикация и апробация результатов.

§6. Структура и объем диссертации.

§7. Краткое содержание диссертации.

Глава 1. Обзор литературы.

Глава 2. Модели, используемые в работе.

§1. Алгоритм расчета коэффициента усиления.

§2. Алгоритм расчета коэффициента отражения.

§3. Код КАРАТ.

Глава 3. Управление спектром излучения плазменного релятивистского СВЧ-генератора.

§1. О длине плазменно-пучкового взаимодействия.

§2. О генерации стабильной частоты излучения ПРГ.

§3. Механизмы влияния на ширину спектра СВЧ-импульсов.

§4. Непрерывная перестройка частоты СВЧ-излучения. $5. Сравнение с экспериментом.

Введение диссертация по физике, на тему "Плазменный релятивистский СВЧ-генератор в численных моделях"

Явление плазменно-пучковой неустойчивости было открыто теоретически в середине прошлого века [1, 2], а затем экспериментально наблюдалось в работах [3, 4]. Пучок электронов возбуждает медленную плазменную попутную волну в плазменном волноводе на основе черенковского механизма. В 60-70-х годах прошлого столетия в различных лабораториях мира проводились эксперименты по взаимодействию< нерелятивистских электронных пучков с плазмой с целью создания СВЧ-усилителей и СВЧ-генераторов. Основные результаты в СССР были получены в ХФТИ [5, 6] и ИРЭ АН СССР [7]. В ХФТИ использовались так называемые замедляющие спирально-плазменные системы, в которых замедление волны обеспечивалось как наличием плазмы, так и вакуумными замедляющими структурами. В ИРЭ исследовались чисто плазменные СВЧ-приборы, то есть замедление волны обеспечивалось только наличием плазмы. Были созданы плазменные СВЧ-усилители и СВЧ-генераторы, но по своим параметрам они уступали вакуумным. Ожидалось, что нерелятивистские СВЧ-источники позволят продвинуться в область высоких частот, но этого не удалось сделать из-за трудности создания плотной бесстолкновительной плазмы. Управление частотой излучения за счет изменения плотности плазмы ограничивалось невозможностью эффективного вывода СВЧ-излучения из плазмы в» широком диапазоне частот.

Принципы релятивистской плазменной СВЧ-электроники были сформулированы в работе [8]; а первый эксперимент был проведен в ФИАН СССР [9]. Постановка этого эксперимента очень близка к экспериментам, проведенным в ИРЭ [7]. Основное физическое отличие релятивистской электроники состоит в возбуждении плазменных волн с фазовой скоростью, близкой к скорости света, что позволяет эффективно излучать эти волны в свободное пространство в широком диапазоне частот. Указанная особенность позволяет создавать СВЧ-генераторы с широкой перестройкой частоты и СВЧ-усилители с широкой частотной полосой усиления.

§1. Актуальность работы

Явление плазменно-пучковой неустойчивости хорошо изучено теоретически. Построение теории плазменного релятивистского СВЧ-усилителя в приближении С2Н » сор (£2Н — циклотронная частота электронов пучка, тр — ленгмюровская частота электронов плазмы) для> бесконечно длинных пучка и плазмы в> целом завершено. Однако для плазменного релятивистского СВЧ-генератора принципиальна ограниченность области плазменно-пучкового взаимодействия, которая является частью резонансного контура. Теории, полностью описывающей процессы в плазменных релятивистских СВЧ-генераторах, в настоящий момент не существует, и численное моделирование является единственным способом исследования, результаты которого в дальнейшем проверяются на экспериментальных установках.

Согласно современной теории [10, 11, 12] плазменного релятивистского СВЧ-генератора, он обладает возможностью перестройки частоты СВЧ-излучения в широком диапазоне частот. Регулировка частоты выходного сигнала происходит за счет изменения плотности плазмы. В существующих теоретических' работах не указан о характер спектра выходного сигнала, и обычно предполагается, что спектр сплошной. Однако в работе [13] экспериментально наблюдался дискретный спектр на выходе из плазменного СВЧ-генератора. В Главе

3 подробно рассматривается этот вопрос, и показаны недостатки существующей теории.

Одной из важнейших проблем современной релятивистской СВЧ-электроники (как вакуумной, так и плазменной) является укорочение импульса СВЧ-излучения. Явление заключается в том, что процесс излучения в СВЧ-генераторе самопроизвольно прекращается, несмотря на то, что электронный пучок продолжает идти через электродинамическую систему. Благодаря большому количеству исследований удалось выявить и устранить целый ряд причин, приводящих к укорочению СВЧ-импульса в релятивистских СВЧ-генераторах. В вакуумных СВЧ-генераторах принципиально неустранимой причиной срыва процесса генерации СВЧ-излучения является появление появления плазмы в замедляющей структуре вследствие близости релятивистского электронного пучка (РЭП) к стенкам волновода. В приборах плазменной релятивистской сильноточной СВЧ-электроники электростатическое поле РЭП может быть экранировано плазмой, что позволяет существенно увеличивать радиус волновода при неизменной геометрии РЭП и плазмы. Тем не менее, даже при существенно увеличенном расстоянии между каналом транспортировки электронов и стенкой в экспериментах с плазменными СВЧ-генераторами было замечено укорочение СВЧ-импульса, однако специальных экспериментальных исследований на эту тему не проводилось. Этот вопрос рассматривается в Главе 4 настоящей работы.

Заключение диссертации по теме "Физика плазмы"

Выводы

2. Продемонстрированы возможности непрерывного изменения частоты излучения плазменного релятивистского СВЧ-генератора и управления шириной спектра. Показано, что расширять спектр частот, излучающихся в одном СВЧ-импульсе, можно при одновременном возбуждении нескольких продольных мод, частоты которых имеют регулируемую разницу.

Благодарности

Автор выражает благодарность и признательность научному руководителю - Олегу Тимофеевичу Лозе.

Автор признателен Павлу Сергеевичу Стрелкову за постоянное внимание и поддержку.

Автор признателен Анри Амвросиевичу Рухадзе, за полезные дискуссии и советы.

Автор искренне благодарен Владимиру Павловичу Тараканову, автору кода КАРАТ за долгое и плодотворное сотрудничество.

Автор считает приятным долгом поблагодарить Ирину Леонидовну Богданкевич за совместную работу и полезные дискуссии и советы.

И Кузелев М. В., Рухадзе А. А., Стрелков П. С. Плазменная релятивистская СВЧ-электроника // Под ред. А. А. Рухадзе. Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, М.:— 2002, 543 с.

12 Кузелев М.В., Лоза О.Т., Рухадзе А.А.и др. Плазменная релятивистская СВЧ-электроника // Физика плазмы, 2001, т.27, №8, с.710-733.

13 Богданкевич И. Л., Иванов И. Е., Лоза О. Т. и др. Тонкая структура спектров излучения плазменного релятивистского СВЧ-генератора // Физика плазмы, 2002, т. 28, №8, с. 748-757.

14 Богданкевич И. Л., Лоза О. Т., Павлов Д. А. О стабильности частоты излучения плазменных релятивистских СВЧ-генераторов // Письма в ЖТФ, 2007, том 33, в. 15, с. 1.

15 Богданкевич И.Л., Гришин Д.М., Гунин A.B., Иванов И.Е., Коровин С.Д., Лоза О.Т., Месяц Г.А., Павлов Д.А., Ростов В.В., Стрелков П.С., Ульянов Д.К. «Импульсно-периодический плазменный релятивистский СВЧ-генератор с управляемой в каждом импульсе частотой излучения» // Физика плазмы, 2008, том 34, №10, с. 926930.

16 Богданкевич И.Л., Лоза О.Т., Павлов Д.А. «Управление спектром излучения плазменных релятивистских СВЧ-генераторов» // Физика плазмы, 2009 г., том 35, №3, с. 211-218.

17 Богданкевич И. Л., Лоза О. Т., Павлов Д. А. "Укорочение импульса излучения плазменного релятивистского СВЧ-генератора в численных расчетах с моделированием плазмы по методу крупных частиц" // "Краткие сообщения по физике ФИАН", 2010, в. 2, с. 16-30

18 Богданкевич И.Л., Лоза О.Т., Павлов Д.А. «О стабильности частоты излучения плазменных релятивистских СВЧ-генераторов» // XXXIV Международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу, 2007 г., с.292.

19 Богданкевич И.Л., Лоза О.Т., Павлов Д.А. «Способы изменения частот излучения плазменных релятивистских СВЧ-генераторов» // XXXV Международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу, 2008 г., с.284

20 Loza О. Т., Bogdankevich I. L., Pavlov D. A. Control over the Radiation Spectra of Broadband Plasma Relativistic HPM Oscillators // European Electromagnetics Symposium EUROEM 2008, 21-25 July 2008, Lausanne, Switzerland, p.224.

21 Loza О. Т., Bogdankevich I. L., Grishin D. M., Gunin A. V., Ivanov 1. E., Korovin S. D., Mesyats G. A., Pavlov D. A., Rostov V. V., Strelkov P. S., Ulianov D. K. Repetitively-Rated Plasma Relativistic Microwave Oscillator with Tunable Radiation Frequency in Eveiy Pulse // European Electromagnetics Symposium EUROEM 2008, 21-25 July 2008, Lausanne, Switzerland, p.26.

22 Богданкевич И.Л., Лоза O.T., Павлов Д.А. «Укорочение импульса излучения плазменного релятивистского СВЧ-генератора в численных расчетах с моделированием плазмы по методу крупных частиц» // XXXVT Международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу, 2009 г., с.326

23 Tarakanov V.P. User's Manual for code KARAT Springfield, VA: Berkley Research Associates, Inc. 1992

24 Рухадзе А. А. Электромагнитные волны в системе взаимопроникающих плазм // ЖТФ, 1961, т. 31, с. 1236.

25 Рухадзе А. А. О взаимодействии релятивистского пучка заряженных частиц с плазмой // ЖТФ, 1962, т. 32, с. 669.

26 Ковтун Р. И., Рухадзе А. А. К теории нелинейного взаимодействия релятивистского пучка электронов с плазмой // ЖЭТФ, 1970, т. 58, с. 1219.

27 Аронов Б.И., Богданкевич Л.С., Рухадзе А.А. Возбуждение электромагнитных волн в плазменных волноводах электронным пучком. // Plasma Phys. 1976. V. 16. P. 101.

28 Кузелев М.В., Рухадзе А.А. Современной состояние теории релятивистской плазменной СВЧ-электроники// Физика плазмы. 2000. том 26, №3 с. 231

29 Биро М., Красильников М.А., Кузелев М.В., Рухадзе A.A. Проблемы теории релятивистской плазменной СВЧ-электроники // УФН. 1997. Т. 167. С. 1025.

30 Богданкевич Л.С., Рухадзе A.A. Устойчивость РЭП и проблема предельных токов // УФН, 1971, т. 103, с. 609.

31 Кузелев М.В., Рухадзе A.A. Электродинамика плотных электронных пучков в плазме // М.: Наука, 1990, 334 с

32 Кузелев М.В., Мухаметзянов Ф.Х., Шкварунец А.Г. Черенковская генерация низшей моды коаксиального плазменного волновода // Физика плазмы, 1983, т. 9, вып. 6, с. 1137-1141.

33 Карташов И.Н., Красильников М.А., Кузелев М.В. Отражение электромагнитных волн от перехода волновода с трубчатой плазмой в вакуумный коаксиальный волновод // РиЭ, 1999, т. 44, № 12, с. 1502-1509.

34 Биро М., Красильников М. А., Кузелев М. В., Рухадзе А. А. Нелинейная теория плазменного СВЧ-генератора на кабельной волне //ЖЭТФ, 1997, т. 111, №4, с. 1258

35 Красильников М.А., Кузелев М.В., Рухадзе A.A. Нелинейная динамика резонансного вынужденного черенковского излучения в пространственно ограниченной плазме // ЖЭТФ, 1995, т. 108, №2, с. 521.

36 Стрелков П. С., Ульянов Д. К. Спектры излучения плазменного релятивистского черенковского СВЧ-генератора // Физика плазмы, 2000, т. 26, №4, с. 329-333.

37 Богданкевич И. Л., Стрелков П. С., Тараканов В. П. и др. Калориметрический спектрометр одиночных импульсов излучения приборов релятивистской СВЧ-электроники // ПТЭ, 2000, № 1, с. 9297.

38 Ельчанинов Ф. С., Загулов Ф. Я., Коровин С. Д. и др. Ограничение длительности мощных импульсов СВЧ в релятивистском карсигнотроне // Письма в ЖТФ, 1981, т. 7, в. 19, с. 1168-1171.

Заключение

В настоящей работе методом численного моделирования исследовалось функционирование плазменного релятивистского СВЧ-генератора. Его параметры соответствовали параметрам СВЧ-генератора, созданного на базе импульсно-периодического электронного ускорителя "Синус-550-80" в рамках совместного проекта Института общей физики РАН и Института сильноточной электроники СО РАН. Большинство результатов и закономерностей, полученных в настоящей работе, справедливо для всех плазменных релятивистских СВЧ-генераторов.

Подавляющая часть исследований плазменного релятивистского СВЧ-генератора выполнялись для значений длины плазменно-пучкового взаимодействия с относительно небольшим превышением над пороговым значением, где режим работы генератора далек от насыщения амплитуды. Такой режим позволяет наблюдать эффекты, которые трудно диагностировать на общем фоне в случае существенно нелинейного режима работы генератора. Другим важным достоинством такого режима является существование аналитических приближений.

Долгое время в теоретических работах подробно рассматривался непрерывный спектр усиления волн при плазменно-пучковом взаимодействии, а вопрос о дискретности спектра плазменного релятивистского СВЧ-генератора игнорировался. В то же время инструментальная база не позволяла достаточно точно измерить спектр наносекундных СВЧ-импульсов в эксперименте. Поэтому возможность создания плазменных генераторов со стабильной частотой СВЧ-излучения подвергалась сомнению. Впервые было показано, что излучение плазменного релятивистского СВЧ-генератора имеет принципиально дискретный спектр, и небольшие флуктуации плотности плазмы не приводят к изменению спектра излучения.

В теоретических исследованиях, посвященных работе плазменных релятивистских СВЧ-генератора и СВЧ-усилителя, предполагается, что длительность СВЧ-импульса много меньше характерного времени изменения параметров плазмы. Иными словами, считается, что плазма за время СВЧ-импульса не изменяется, и изменение свойств плазмы не рассматривается в качестве возможной причины укорочения СВЧ-импульсов. Впервые было показано, что укорочение СВЧ-импульса вызывается разлетом ионов и деградацией профиля плотности плазмы в сильных электромагнитных полях, что нарушает условия черенковского взаимодействия.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Павлов, Дмитрий Андреевич, Москва

1. Ахиезер А. И., Файнбег Я. Б. О взаимодействии пучка заряженныхчастиц с электронной плазмой // ДАН СССР, 1949, т. 69, с. 551

2. Bohm D., Gross Е. Theory of plasma oscillations// Phys. Rev., 1949, v. 75,p. 1851

3. Харченко И.Ф., Файнберг Я.Б., Николаев P.H. и др, Взаимодействиеэлектронного пучка с плазмой // ЖЭТФ, 38, 685 (1960).

4. Демирханов Р.А., Геворков А.К., Попов А.Ф., Зверев Г.И. Высокочастотные колебания в ограниченной плазме // ЖТФ, 30, 306, (1960).

5. Березин А.К., Файнберг Я.Б., Артамошкин А.М. и др., Пучковоплазменный генератор стохастических колебаний дециметрового диапазона длин волн // Физика плазмы, 1994, т.20, №9,с 782-789.

6. Березин А.К., Файнберг Я.Б., Ляпкало Ю.М. и др., Пучково-плазменный генератор стохастических колебаний непрерывного режима в диапазоне ультравысоких частот // Физика плазмы, 1994, т.20, №9,с 790-793

7. Бернашевский Г.А., Богданов Е.В., Кислов В .Я., Чернов З.С. Плазменные и электронные усилители и генераторы СВЧ, М., Сов. Радио, 1965

8. Рабинович М.С., Рухадзе А.А., Принципы сильноточной релятивистской плазменной СВЧ-электроники // Физика плазмы, 1976, т.2, с 715-722

9. Кузелев М.В., Мухаметзянов Ф.Х., Рабинович М.С. и др., Релятивистский плазменный СВЧ-генератор // ЖЭТФ, 1982, 83, с.1358-1367

10. Кузелев М.В., Рухадзе А.А., Стрелков П.С., Шкварунец А.Г. Релятивистская сильноточная плазменная СВЧ-электроника: преимущество, достижения, перспективы // Физика плазмы, 1987, т.13,№11, с.1370-1382.

11. Александров А.Ф., Бляхман Л.Г., Галузо С.Ю., Нечаев В.Е. Пристеночный вторично-эмиссионный разряд в электронике больших мощностей / в кн.: Релятивистская высокочастотная электроника. В. 3. Горький: ИПФ АН СССР, 1983. - С. 219—240

12. Александров А. Ф., Галузо С. Ю., Канавец В. И., и др. СВЧ-пробой в релятивистском черенковском генераторе / Тез. докл. IV Всес. симп. по сильноточной электронике. Томск: ИСЭ СО АН СССР, 1982. -Ч. 1.-С. 163—166

13. Loza О. Т., Strelkov P. S. Microwave pulse shortening in relativistic high-current microwave oscillators // Digest of Technical Papers. Int. Workshop on HPM Generation and Pulse Shortening, Edinburg, UK, 10—12 June 1997.-PP. 103—108

14. Mesyats G. A. The problem of pulse shortening in relativistic microwave generators / in: High Power Microwave Generation and Applications. P. Caldirola, E. Sindoni, C. Wharton (Eds.). Bologna, Italy: SIF, 1992. P. 345

15. Benford J., and Benford G. Survey of Pulse Shortening in High-Power Microwave Sources // IEEE Trans, on Plasma Sci. Vol.25, No 2, April 1997, pp. 311 — 317.

16. Зайцев H. И., Ковалев H. Ф., Кораблев Г. С. и др. Релятивистский карсинотрон с длиной волны 3 см и длительностью импульса 0.4 микросекунды // Письма в ЖТФ, 1981, т. 7, вып. 14, с. 879-882.

17. Зайцев Н. И., Ковалев Н. Ф., Кулагин И. С. О механизме ограничения длительности импульса в релятивистском карсинотроне // Тез. докл. 7 Всесоюз. симп. по сильноточной электронике. Томск: ИСЭ СО АН СССР, 1988, т. 1, с. 179-181.

18. Лоза О.Т., Стрелков П.С., Воронков С.Н. Плазма в замедляющей структуре вакуумного сильноточного релятивистского СВЧ-генератора// Физика плазмы, 1994, т. 20, №4, с. 417-423.

19. Коровин С.Д., Месяц Г.А., Пегель И.В., и др. Механизм ограничения длительности микроволнового импульса релятивистской ЛОВ // Письма в ЖТФ, 1999, т. 25, в. 6, с 27—36.

20. КотетешвилиП.В., Рыбак П.В., Тараканов В.П. КАРАТ — средство вычислительного эксперимента в электродинамике. Препринт №44, М., ИОФ АН СССР, 1991, 46с

21. Тараканов В.П. Универсальный электромагнитный код КАРАТ в кн. Математическое моделирование. Проблемы и результаты. М., Наука, 2003, с.456-476

22. БэдселЧ., ЛенгдонА. Физика плазмы и численное моделирование, М., Энергоиздат, 1989, 455с

23. Поттер Д. Вычислительные методы в физике. М.: Мир, 1975.

24. Самарский А.А. Теория разностных схем. М.: Наука, 1989.

25. Лоза О.Т., Пономарев А.В., Стрелков П.С. и др. Источник трубчатой плазмы с управляемым радиусом для плазменного релятивистского СВЧ-генератора // Физика плазмы, 1997, т.23, №3, с.222-229.

26. Стрелков П.С., Пономарев А.В., Богданкевич И.Л. Нормальный эффект Доплера в экспериментах по взаимодействию релятивистских электронных пучков с плазмой. Плазменный релятивистский СВЧ-усилитель // Физика плазмы. 2007. т. 33. №4. с. 366-375.

27. Климов А.И., Куркан И.К., Полевин С.Д. и др. Импульсно-периодическая релятивистская лампа обратной волны с расширенной механической перестройкой частоты генерации // Письма в ЖТФ, 2007, т. 33, вып. 24, с. 53.

28. Birau М., Buzzi J-M., Caillez Y. et al. Generation of High-Power Microwave due to propagation of a relativistic electron beam in plasma // Proc. 23-th Int. Conf. On Phenomena in ionized gases. (ICPIG'97), Toulouse, July 17-22, 1997, vol. П1, pp.46-47.

29. Воронков C.H., Лоза O.T., Стрелков П.С. Ограничение длительности импульса излучения СВЧ генераторов на микросекундных РЭП // Физика плазмы, 1991, т. 17, вып. 6, с. 751-755.

30. Лоза О.Т. "Генерация сильноточных релятивистских электронных пучков со стабильными в течение микросекунды параметрами с помощью взрывоэмиссионных катодов" // ЖТФ, 2008, т. 78, в.11, с.93-98.

31. Воронков С.Н., Лоза О.Т., Стрелков П.С. Влияние катодной плазмы на работу релятивистского карсинотрона микросекундной длительности // Физика плазмы, 1993, т. 19, вып. 4 .с. 601-605.

32. Kovalev N. F., Nechaev V. Е., Petelin М. I., Zaitsev N. I. A scenario for output pulse shortening in microwave generators driven by relativistic electron beams. // IEEE Trans. Plasma Sci., 1998, Vol. 26, No 3, p. 246— 251.

33. Loza O.T. On the mechanism of HPM pulse shortening in oscillators driven by relativistic electron beams // Proc. of 15- th Int. Conf. on High Power Particle Beams (Beams'2004), July 18 23, 2004, St.-Petersburg, Russia, pp 454-457.

34. Лоза О. Т. "О механизме укорочения сверхвысокочастотного импульса в генераторах с сильноточным релятивистским электронным пучком"// РиЭ, 2009, т.54, № 7, с. 887-889.

35. Loza О.Т., Strelkov P.S., and Ivanov I.E. Relativistic Cherenkov plasma maser of microsecond pulse duration // IEEE Trans, on plasma science, June 1998, Vol 26, # 3, pp. 336-339.