Повышение эффективности взаимодействия в генераторах дифракционного излучения с профилированным магнитостатическихм полем тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

Г6 од

3 1.Я-

ХАРЬКОВСКИЙ ГОСУДАГСТЬЕНШЙ УШШРСИТЗТ ^ Ч

»>■. I На правах рукописи

Одаренно Евгений Николаевич'

Повышение эффективности взаимодействия б генераторах дифракционного излучения с щюфалярованшм магтггостатичоагш?*

01.04.04 - физическая электроника

Автореферат диссертации на соискание учеаой степени кандидата фшзико-математачеекшс пауз;

Харьков

- 1Эу4

Диссертация является рукописью Работа выполнена в Харьковском государственном университете

Научный руководитель - доктор физико-математических наук,

профессор Шматько Александр Александрович, Харьковский государственный университет

{радиальные оппоненты

доктор физико-математических наук, профессор Хиямяк Николай Антонович, Национальный научный центр Харьковский фкзш. э-твхнический институт, г. Харьков

кандидат технических наук, доцент Руженцев Игорь Викторович, Харьковский технический университет радиоэлектроники, г, Харьков

Ведущая организация - Институт радиофизики и электроники

Академии наук Украины, г. Харьков

Защита состоится "3 " о^клих 1994 г. в V ^ часов на заседания специализированного совета Д 02.01.0? в Харьковском госудавероитете <31007?, ■ Харьков, пл.свободы, 4, аудитория П1-9).

О диссертацией можно ознакомиться в центральной научной библиотеке ХГУ.

Автореферат разослан " " ь-НаЯ - 1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета - Чеоотарэв

-з-

Актуалькость теш.Создание эффективных источников излучения в различных областях спектра электромагнитных волн является основой для разработки и совершенствования радиофизических методов исследования широкого круга процессов и физических явлений. В миллиметровом н суомяллиметровом диапазонах длин волн, где классические генератора СВЧ колебаний малоэффективны, наши применение прибора, действие которых основано на аффекте Смита--Парсалла (дифракционное излучение). По ряду характеристик (мощности , монохроматичности сигнала) эти электровакуумные прибора (оротроп, генератор дифракционного излучения (ГДй), ледатрон, ладдэртрон и др.) превосходят твердотельные генераторы, что обусловливает постоянный поиск путей я методов совершенствования их конструкции и улучшения эксплуатационных характеристик. Эта задача является одной из важнейших в современной физической электронике -

Известно несколько возможных путей решетя этой проблемы, общих для электронных^приборов различных типов: подбор оптимальных значений напряжений и токов; совершенствование конфигурации электродинамических систем; дополнение этих систем новыми элементами; применение эффективных электронно-оптических систем и др.а конечном счете практически все эти метода направлены на создание оптимальных условий взаимодействия электронного потока с СВЧ.полем. В частности, фазовых условий. В приборах на циклотронном резонансе и М-ткпа (магнетрон, гирот-трон и др.} с этой целью успешно используется профшфованное магнитостатическое поле. Эта методика- оказалась эффективной дай улучшения характеристик приборов и весьма простой с точки зрения практической реализации."

В приборах О-типа магнитное поле обычно используется для фокусировки электронного пучка и не оказывает непосредственного воздействия на фазовые, соотношения-меаду электронами- и СВЧ полом. Вместе с тем, известны результаты использования неоднородных и наклонных магнитных фокусягруищ.' полей 4 приборах этого тепа, ймеициеся экспериментальные' и теоретические данные позволяют сделать вывод о возможности повшэния. эффективности эяектронно-волнсвого взаимодействия в приборах О-тнпа с неоднородна фокусирующим шлем. Этот результат нельзя-объяснять-подобно -тому, как это делалось для приборов.на циклотронном резонансе и М-тина, поскольку функциональное назначение магнитного поля в этих прибо-

-Ц-

рах и приоорах типа о различно. Характерной особенностью работы электронных приборов с неоднородным фокусируювдам полем является многомерность происходящих в пространстве взаимодействия процессов. В то же время теоретические исследования резонансных генераторов с длительным взаимодействием О-тяпа проводились в основном для однородного магнитного поля и в рак®ах одномерной модели. В связи с этим актуальной является задача построения многомерной теории электронно-волнового . взаимодействия для резонансных приборов О-тнпа с изолированным иагвятостатичвсют шлем. Такая теория необходима для' уыубленного исследования физических процессов в таких колебательных системах и разработки на этой основе практических схем повышения эффективности энергоооменэ электронов и СВЧ поля.

№ль работа сотоит в развитии теории резонансных генераторов (ГДИ-оротрон, ледатрон, резонансная ЛОВ и др.) с неоднородным магнитостатическш полем в двухмерном приближении, пригодной для исследования энергетических к чаоктшх характеристик колебаний на линейной и нелинейной стадиях электронно-волнового процесса взаимодействия.

Методы исследования, Аналитические и числетые методы решения интегро-ДйЗференциальных уравнений; разработка алгоритмов численного анализа микропроцэссов, происходящих е электронном потоке, и макропроцессовг наблюдаемых в резонансной системе.

Научая новизна вэботц состоит в развитии двухмерной -теории генераторов с ярофшрованнш мапштостатическим полем. К новым относятся результата £ ¡шейной и нелинейной теории для локально-неоднородного МЗИО'ТЕОГО Фэйусирукцэго поля.

В рамках . цриблйжешя слабого сигнала получены в аналитической форке варэгекия дай пускового тока» инкремента нарастания амплитуда колебаний -П'электронного. смещения частоты при произвольном распрзделеюзи СВЧ-поля и двух видах распределения магнатостатаческого шля. '

На нелинейной стада развития автоколебаний исследованы физические щтана обеепечиващие повышение электронного КПД различных генераторов рассматриваемого класса.

Выявлен новый вид колебательного гистерезиса , связанный с изменением параметров магшиостатического шля.

обоснованность и достоверность результатов и положений диссертации обеспечивается использованием известного в электронике

СВЧ математического аппарата для описания закономерностей физических процессов (метод крупных частиц?; совпадением предельных торэходов с известиями результатами одномерной теории; • соответствиям полученных результатов экспериментальным и теорета-' ческш данным ' ,' подученным другими авторами. Кроме того, достоверность результатов подтверждается внутренними средствами теории - выполнением закона сохранения энергии, а также контролируемой точность© вычислений.

Практическая ценность результатов работы заключается в разработке теории резонансных генераторов применительно к решению важной задачи СВЧ электроники - повышения эффективности взаимодействия (на линейной стадии развития колебаний уменьшения пусковых токов, а на нелинейной - увеличения выходной мощности) приборов миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов дат волн, для решений этой задачи предлагаются весьма простые средства -изменение пространственной конфигурации магнлтостатического. поля. Развитая теория позволяет:

- определить параметра электронно-волновой системы, для которых пусковые токи могут быть снижены в 1.5 - 2 раза, а мощность увеличена в 1.5 раза;

- получить ряд аналитических вырааений дая. расчета пусковых характеристик генераторов с различной структурой СВЧ поля;

- разработать сравнительно простые и аффективные численные алгоритм для расчета и- прогнозирования- выходных характеристик приборов СВЧ.

Общенаучное и. прикладное значение работы обусловлено Ле связь» с фундаментальной научно-исследовательской работой, выполняемой ХГУ. по плану Шнйстеретва образования Украины "Построение теория пассивных-и.активных СВЧ пркбсроз а устройств с линейными и шлинейншги материальными средами«. Результаты диссертации используются в учебном курсе "Электроника СВЧ" , читаемом да студентов радиофизического факультета ХГУ. .

Основные положения и результату 1:: вшШсимые на защиту •!

1. Развита теория резонансных генераторов сьтила о длительным, взаимодействием ' пра,- движений электронов в двухмерном СВЧ поле произвольной конфигурации и; двухкошонентном неоднородном, магнитоетатическом иоле. -V.. . ■

2, Получены аналитические . выражения .для пусковых характеристик генератора в случае наклошого■ • мапштостатического

-е-

поля и фокусирующего поля с локальной неоднородаостью гауссоеского вида.

3. Установлено, что пусковой ток может быть уменьшен в 3.52 раза по сравнению со случаем обычной фокусировки за счет неоднородности магнитного поля.

4.. Численно показано повышение эффективности знэргообмена в генераторах на нелинейной стадам развития колебаний в 1.5 раза за счет непрямолшейного движения электронов в неоднородном двухком-покентном фокусирующем поле.

5. Выявлены и обоснованы две основные причини повышения эффективности электронно-волнового взаимодействия - изменение форш. амплитудного распределения СВЧ поля на траектории частиц пучка и оседание электронов , ускоряемых СВЧ полем , на замедлшадю систему,

6. Обнаружен колебательный гистерезис по углу наклона магни-тостатического толя к параметрам локальной магнитной неоднородности.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладава-лись и -обсуздались на Всесоюзной конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения" (г.НовоскОирск, 1930), 1-м Украинском симпозиума "Сизина и техника миллиметровых и суоюшшматровнх радиоволн" (г.Харьков, 1931), 2-й крымской конференции и выставке "СВЧ-тег^яка п спутниковый прием" (г.Севастополь, 199«).

Публикации. Основное содержание и результата диссертации отражены в 12 публикациях. Личный гклад евтора в работы, написл.ные з соавторства, заключается вполучении систем уравнения, аналитических внраковий, разработке методов численного решения уравнений, объяснении к анализе полученных результатов.

Объем к структура,работы.. - Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы из 98 ' наименован!.'Л и двух приложений. Объем работы 154 страницы, из них 85 страниц основного текста, 49 страниц рисунков, 9 страни цитируемой литературы , 8 страниц приложений.

СОДЕШШЕ РАБОТЫ

Во..в$эданиц обоснована актуальность теш, определены цель и задачи исследования, сформулированы основннэ положения, выносимые на защиту, показана практическая и научная ценность работы.

В петой главе сформулирована исходная система уравнений резонансного генератора О-тила с произвольной конфигурацией фоку-с.чрущаго магиктного тюля и СВЧ поля электродинамической систеш. Система состоит из нерэлятиввстских уравнений двзгшния и уравнения возбуждения резонатора криволинейным электроннш потоком.

Для записи поля пространственного заряда используется упрощенная модель кулоновского взаимодействия , в которой рассматриваются только поперечная статическая и продольная динамическая компонента. Выбор такой модели обусловлен известными результатами исследований влияния поля пространственного заряда на характеристики приборов рассматриваемого типа.

Исследуется двухмерная модель пространства взаимодействия, где вектора индукции фэкусирукдаго поля, напряженности СВЧ поля и скорости заряжвтта чаотэд гагздаг две компонента - параллельную и перпендикулярную плоскости замодаюдей системы.

В зштси исходной системы уравнений используется понятие ксшлексной крутизны колебательной характеристика генератора 3(Р)к з1(?) + 132(Р). Без основные характеристики электропно-вол-ковой система вирзмгустся через действительную и мншую части Э (Р). В прйблпвешш слабого гатгнала пусковые характеристики генс-ратора (игафомзпт нарастания амплитуда колебаний а , электронное смешение частоты бш , пусковое значение параметра эффективности взизгодэйетвзш ) представляются сгйдузшда образом

а ОЗ^О) - * ; Ш = - зг {0)^(0) ; 0пуск = 1/3}(0) Ц)

На нэлшзейпой стадии развитая автоколебательного процесса осяовнщи характеристиками являют ся амплитуда колебания Р, электронный КЕД т) и электронное смещение частота

Т) = (?) ; 0о> = - СЗ?(Р) (2)

Сформулирован закон сохранения анергии, - описывающий

перераспределение кинетической и потенциальной , анэргии в исследуемой системе с «эодяородшм магннтостатнческик полем. Показано, что с яовощьс ?<,ореш Буша для шоско-параллелышх злетронных потоков, двухмерный, закон сохранения -энергии фактически характеризует .систему с. трехмерный движением электронов Пучка. . Приведены зависимости компонент вектора индукции фэйусирущего • поля от продольной и поперечной координат, ахщрошавтрущшз реальное распределение магнитного- поля в пределах области локальной неодаородцсйти

В,,«} « 1 + Амаф[-({5 - 1м)/\)г] (3)

в;«,г> « 2!1АМ(| - |м)(2 - - (4)

где Лц, - параметры магнитной неоднородности 'величина,

координата центра, полуширина}; 5 . и 2 - безразмерные продольная и поперечная координата; II ..п Ь - сортировочные постоянные.

Во второй главе исследуется &шдаве неоднородное;-:! фокусирующего поля ца пусковые - характеристики. тонер;-,гора. Выведена в приближенна слабого лишала упрощенная .система уравнений.. Для уравнений дащщя. получены расшшя а аналитическом вйде, что позволяет существшшо ^ упростлчъ - процедуру -.шчасйеиня пусковых' харшдеернстше и сделать вйдлиз результатов более наглядным.

Изяснн. .осаоваао- захйяоыэрЕосго влшшя параметров детальной магнитной ноодаородности ф1фа%рущого поля ца. инкремент нарастания .яшшуда- колойашй, электронное смещение частота, пусковой • гок. -Рассшгрквззгея -трд. .ржем . токессадашм в про0,гравса,ьз:ЕзаЕйой.ей&тв12Я > электрона-на. осодзет на зшэдяящув. сисяемзг, - ЁОйюе -осздаше .частиц пучка. В каадом

.из вив: регзшов дршштяш-йеоднородаото фкусируядалг поля приводам к кшаенва пускового тока 4 Установлена основная причина атого явления . йзмёнаше "продольной амплитудной.. огибающей сач воля на траектории злэкгролоз. ЗЪксос&двкйэ 'пргюода? к сокращении | длина пространства вз^модейстйий а, как: следствие, к увеличению пускового тока. В то зэ арг;ля оседание электронов на заме^яяэдую спстаму является главной причиной .изменения велнчиян ускоряющего нанряаения». соотв&гствукцей шшищлъному пусковому току. Проведен анализ влеяйий, неоднородности магнитного поля на пусковой ток. для различных значений индукции ©окуеирущего поля.

• -в* '

Исследованы пусковые характеристики тег оратора с наклонным фокусирующим полем. Полученные результата соответствуют известишь из яггературц экспериментальным данным.

Рассмотрено влияние поля пространственного заряда па сэмо-■ возбуждение колебаний в генераторе с локально-неоднородным и наклонным фокусирующим полем. В коллективном рекиме электронно-волнового взаимодействия получено -аналитическое выражение для пускового значения параметра эффективности взаимодействия. Показано, что применение двухнсмпонеятного фокупирукщего поля приводит к частичной компенсации, действия сил пространственного заряда. Исследовано влияние толщшш электронного пучка на удельный пусковой ток генератора. Установлено, что увеличение толщины '• пучка сопровождается снижением удельного пускового тока с последу задам иаснщеяием его значейия. Данное ' явление обусловлено хараютргм токораспрвдёлепия к ■ пространстве взаимодействия. Наиболее существенное влияние на эффективность. зворгоосмева изменение толщи пучка оказывает - з случае, когда" все электрона ' оседают па замедлящуга систему. ;

' в тр-этьей главе -• анализируется основше' закономерности • процесса електронно-волпового взаимодействия с учетом нелинейных явлений в приборе с Йзоднорода®» Фокусирующим. полем. Рассмагдаается стационарная яеоршг.» йзжетш результаты числей- ' кого моделирования енергообмзнз в генераторе для различных значений параметров -'дэшйшой неоддародгостп . Основное виимаивв уделено исследованию • влияния' йояфптрахда 'капштоотатического поля пз онертачесга» хэротарпсшш*- Осямшэ закономерности изменения частотише харзктерксязг за очот- неоднородной фокусировки совпадают с устазовдэдага!-лг-щсюжхтя слабого сигнале,. Определена 'значения пеззтшсййгх. шзрйШтроз злзктрощга-волювой свети с взддаородзоа 'фокусироакоЗ» для • которнх ее' электронный КПД пре&лазет 'соответствуете зянченйд при обычней фокусировке. На основании получеишх рззуяыгатов установлены фьзвчеею» причины повышай .зффзктяяйоети взаимодействия озшетрййоа .о СВЧ полем. Основными среди них являются йззовз.т сортировка частиц пучка при их оседании на зпиздляющуэ • сасаяяг а изменение амплитудного распределения СВЧ поля па траектории электровоз. Установлено, что для прибора с гаусеовской формой ашпагудиой сгибающей СВЧ поля "основнув.роль'играет фазовая-сортировка, электронов. Максимальный электронный ШТД реализуется .-в олуч.зэ', : когда пучок полностью

оседает на ваыодляюцую систему, что согласуется с результатами эксдарнмзнталышх исследование других авторов.

Рассмотрены зависимости ыаксгшальшго по зоне генерации электронного К1Щ от параметра вффактшюсти взаимодействия. Показано, что для случая неоднородного фэкусирущего шля схема о пучкоы, приподняты« над замоддздцэй системой, обеспечивает больший КПД то сравнению с ситуацией, когда зазор мекду пучком и гребенкой отсутствует, это явление наблюдается только для больших рабочих токов, что делает перспективным использование неоднородного магнитного поля в чаятульснах генераторах.

Обнаружен двухсторонний колебательный гистерезис при изменении параметров магнитной неоднородности м угла наклона фокусирующего шля. Исследовано влияние пространственного распределения магнитного поля на электронный КОД прибора с учетом кулоновского взаимодействия в электронном потоке. В отличие от одномерной теории , в данном случае поле пространственного заряда снижает эффективность энергообмана, что обусловлено расслоением пучка. Проведен . анализ влияния- толщины пучка на эффективность энергообмена в генераторе с наклонным и неоднородным фокусирувдим полем.

В заключении подведены, итоги выполненной работы и намечены ' перспективы дальнейших исследований и практического применения профшфовашюго магвитостатического поля в резонансных генераторах Q-типа с длительным взаимодействием.

Два приложения догоыщют основной текст работы.

В Приложении 1 рассмотрены закономерности влияния величины однородного фокусирующего пола на пусковые характеристики исследуемых резонансных генераторов.

В Приложении 2 приведены результаты анализа двухмодового возбуждения генератора с яокалшо-наоднородншл фжусирущим полем.

ПУБЛИКАЦИИ ПО та® ДИССЕРТАЦИИ .

1. Одаренно E.H., йматько I.A. Конкуренция колебаний двухгодового "режима в. приборах оротронного типа // Радиотехника (Харьков).- 19Ь8.- 1134.- С.13-18.

2. Одаренно E.H., Шм тько A.A. Самовозбуждение колебаний в ГДИ с различной конфигурацией фокусирующего магнитного поля //

Тез. докл. 1-го Укр, симпоз. по Сиз. и тех. мм и сусмм радиоволн.- Харьков,1991.- с.137.

3. одаренко E.H., Шматько A.A. Влияние поля пространственного заряда на пусковой режим ГДЙ с неоднородным фоку сиру щиы полем // Тез. докл. 1-го Укр. симпоз. по физ. и тех. мм и субмм радиоволн.- Харьков,1291.- С.143.

4. одаренко E.H., Шматько A.A. Самовозбувдегаю колебаний в резонансных генераторах о-типа С длительным взаимодействием при наклонном магнитостатическом поле it Радиотехника и электроника.-1992.- Т.37.- iß.- С.303-310.

5. Одаренко E.H., Емэтъко A.A. Влияние магнитостатической локальной неоднородности на пусковш характеристики резонансных генераторов о-типа // Радиотехника п электроника.- 1992.- Т.37.-' HS.- С.901-909.

■в. Едатько A.A., одаренко Б.Ч.- Нелинейная теория генераторов О-типа с различной конфигурацией магннтостатичвского поля // Теп. докл. 2-Я Крнмск. конф. а енстрвкя . "СВЧ-техникэ'и спутниковый прием".- Севастополь, 1992.- С.463-463.

7. Одаренко E.H.,- П^атьно A.A. Теория резонансных СВЧ гене-, раторов с наклонным магнитостатическкм шлеи // В сб. науч. тр.

"Научное приборостроение в m и суокд диапазонах" UF3 АН Укр.-_ Харьков, 1992.- С.122-130.

8. Одаренко E.H. Двухксдовез возбуждение ГДМ • с локальной магнитостатической неоднородностью // Вестник ХГУ.- 1992.-U371.-С.33-35,

9. Одаренко Е.Н.' Влияньз токооседайия на характеристики резонансных генераторов О-типа с наклонным фокусируем полем //

В сб. науч. тр. аспирантов ХГУ.- 1992.- С.153-157.

10. Slaat'to Д., OdaretiKo Е. Microwave Oscillator - the Ого-tron with fee DO Kagnetic î.'onuniforrriity // 18th Int. Ccnf. on Infrared and . Millimeter Яатев.- Colchester, UK,1993.-Conf.Digest.- P.28-29.

11. Одаренко E.H., Ейзтько A.A. Нйлияейная теория резонансных генераторов с наклонным магнитостатическим полем // Радиотехника и электроника.- 1993.- Т.38.- N9.- с.1690-1695.

12. odarenKo Е., Shmat'ko A." Hesonant O-Typs- Millimeter- Wave Oscillators with the Inclined. Foci-sing Field // Int. Oonf. on Millimeter and SUtsnilllmeter ' ï?a7es _ and Appl.- San Diego, USA, 1994.- Conf. Digest.- P.134-135.