Пространственно-временные характеристики коллективных процессов в РЭП микросекундной длительности с магнитным удержанием тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

На правах рукописи Богданов Леонид Юрьевич

тЮСТРАНСПШШО-ВРЕМЕШПЛЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОЛЛЕКТИВНЫХ ПРОЦЕССОВ В ЮП МИКРОСЕКУНДНОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТИ С МАГНИТНЫМ УДЕРЖАНИЕМ.

01.04.04,- физическая электроника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук,

профессор Соминский Г. Г.

Санкт-Петербург -1997

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственной техническом университете.

Научный руководитель:

доктор фиэико-магематических наук, профессор

г.г.соминский.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук>, ,

профессор

Б.В.КУТЕЕВ,

кандидат физико-математических наук, с.нх Н.И.ЗАЙЦЕВ.

Ведущая организация: ИОФ РАН, г.Москва. .

Л 00

Защита состоится 18 апреля 1997 г. в ' <_на заседании

диссертационного Совета К 063.38.16 в Санкт-Петербургском государственном техническом университете по адресу: 195251, г.Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29. а <?5~/; 7Л •

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГГУ

Автореферат разослан "/Г" марта 1997 г.

Ученый секретарь

диссертационного Совета

кандидат физико-математических наук,

доцент О.А.Подсвиров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЬ?. Релятивистские электронные пучки (РЭП) привлекают интерес исследователей из-за огромных и далеко не исчерпанных возможностей их использования в электронике и энергетике больших мощностей. Спектр применений РЭП очень широк. Большие перспективы связаны с генерацией мощного излучения днапазонз СВЧ и более коротких длин волн.

На начальном этапе исследований основное внимание уделялось отработке и созданию систем питания релятивистских установок, а также методов формирования РЭП с большим уровнем переносимой ими энергии. Скоро стало очевидным, что дальнейшее продвижение на пути нснользшиния ГОП сдерживается недостатком сведений о происходящих в них коллективных процессах. Существующий опыт работы с нереляпгаистскнмиэлектронными системами и устройствами говорил о том, что электронные пучки высокой плотности, к которым относятся (1 РЭП. чувствительны к малым Возмущениям н неустойчивы. Можно было ожидать, что разв|Тгие колебаний и волн в объёмном заряде будет приводить к возникновению паразитных сигналов и шумов, способно влиять на удержание, а также на энергетический спектр электронов и в РЭП. . В связи с этим стало ясно, что доя отыскания путей создания сильноточных . релятивистских электронных потоков высокого качества необходима информация о проетранственно-временньа характеристиках,-закономерностях и механизмах происходящих в них коллективных явлений.

Существенная специфика процессов в РЭП, систем их формирования и транспортировки не позволяет автоматически распространять на них опыт исследования нсрелятивнстскнх электронных потоков. Поэтому предпринимались попытки получения информации о коллективных процессах в РЭП. Однако, трудности как теоретического, так и экспериментального рассмотрения этого чрезвычайно сложного объекта исследований не позволили до сих пор нзкопнтъ достаточного объема данных, не позволили создать непротиворечивую и достаточно полную модель происходящих в них коллективных процессов. Для построения такой модели. Да и для практической деятельности, необходимо систематическое экспериментальное исследование пространственно-временных характеристик объёмного заряда РЭП. что и определяет АКТУ АЛ Ь11 ОСТЬ данной' диссертационной работы. Работа посвящена изучению коллективных явлений в пространственном заряде наименее изученных ранее релятивистских электронных пучков микросекундной длительности с характеристиками, типичными для мощных СВЧ устройств, исследованию влияния развивающихся коллективных процессов на . формирование и транспортировку таких ГОП.

ЦЕЛИ РАБОТЫ состоял)! в создании комплекса слабовозмушаюших методов, имеющих высокие показатели пространственного и временного разрешения, и предназначенных для диагностики коллективных процессов в

сильноточных электронных потоках высокой плотности: в определении пространственно-временных характеристик объемного -заряда Р:*П и исследовании влияния на них неоднородных магнитных к электрических полей; в определении на основе полученных данных возможных моделей развития коллективных процессов и выявлении способов управления ими.

Исследования выполнены на специально созданной сильноточной релятивистской экспериментальной установке СЭР-1 (Сильноточная Экспериментальная Релятивистская) кафедры физической элеетроники Санкт-Петербургского юсударсгвенного технического университета.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА диссертационной работы состоит в следующем:

1. Впервые создана комплексная методика исследования пространственно-временных характеристик объёмного заряда РЭП, обеспечивающая получение информации об основных параметрах этой сложной самосогласованной системы: о структуре Pi П. о мгновенных характеристиках колебаний пространственного заряда в широкой Полосе частот ( 100 МГц- 5000 МГц ) и на ратных участках канала транспортировки, а также о воздействии неоднородных полей на коллективные процессы в РЭП.

2. Получены неизвестные ранее данные о характеристиках колебаний пространственного заряда PJI1 микросекундной длительности С частотами от 100 МГц до 2000 МГц, об их пространственно-временных изменениях, а также о связи колебательных процессов с геометрией участка ускорения электронов н с материалом взрывоэмиссионного катода.

3. Выявлена возможность эффективного управления колебаниями пространственного заряда РЯ1 с помощью ре1улируемых локальных неоднородностей магнитного поля в канале транспортировки пучка. Установлена связь развивающихся коллективных процессов с удержанием и транспортировкой РЗЛ.

4. Предложены возможные модели развития обнаруженных коллективных процессов в РЛ1 с учетом группы электронов с большими поперечными скоростями ( V, • V'; ), эмулированных с внешней боковой поверхности плазменного катода вблизи входз в канал транспортировки.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ШШШ-ЛСГЬ работы определяется гем, что:

1. Разработанная комплексная методика исследования коллективных процессов в Р Ш может быть использована для изучения пространственно-временной динамики объёмною заряда широкою класса силывмрчных электронных пучков, удерживаемых магнитным полем.

2. Полученные новые данные о пространственно-временных характеристиках коллективных процессов в Р ИI микросекундной длительности, об их связи с leoMeipiteri участка ускорения электронов и с материалом взрывоэмиссионного каюда позволяй)i существенно уточнить модель развития коллективных явлении и объемном заряде сильноточных пучков, формируемых в КДМП.

3. Выявленные способы эффективного управления колебаниями пространственного заряда ЮГ! с помощью регулируемых локальных неоднородноотей магнитного поля в канале его транспортировки могут быть использованы для "повышения качества" РЭП.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ: . '

1. Созданная слабовоэмущаюшая методика исследований обеспечивает возможность получения комплекса данных, необходимых для определения закономерностей развития коллективных процессов в мнкросекундных РЭП. Она дает информацию о структуре РЭП в коллекторной области с временным разрешением • 100 не и пространственным разрешением ~1 мм. а также о "мгновенных" характеристиках колебаний пространственного заряда в широкой полосе частот примерно до 3 ГТц с пространственным разрешением »Зсм.

2. Колебания пространственного заряда исследованных РЭП имеют многочастотиый спектр. Наиболее интенсивные колебания нарастают во времени и с удалением от катода и достигают значений -10% от статических полей в зазоре между пучком и стенкой канала транспортировки. Частоты колебаний максимальной амплитуды лежат, обычно, в диапазоне 300МГц-1000 МГц.

3./'Один из основных механизмов возникновения колебаний конвективной природы может быть связан с развитием двухпотоковой неустойчивости, обусловленной взаимодействием потока электронов в ореоле РЭП с большими поперечными (малыми продольными) скоростями (VI ■ Ун), эмиттированных с внешней боковой поверхности плазменного катода вблизи входа в канал транспортировки, и потока электронов с торца плазменного эмиттера, имеющих максимальные продольные скорости. Колебания пространственного заряда, наряду с этим, могут быть связаны с развитием диокотроннон неустойчивости в потоке электронов с боковой поверхности плазменного катода, приводящей к вращению азимутальных неоднородностен пространственного заряда РЭП.

... 4. . Локальные, неоднородности магнитного поля пробочной конфигурации, отражая к катоду часть электронов с большими поперечными (малыми продольными! скоростями, существенно влияют на колебания пространственного заряда РЭП и могут быть использованы как зля подавления колебаний, так и для их усиления. Максимальный эффект подавления в исследованной системе достигается при создании такой неоднородности вблизи катода. Локальное повышение магнитного поля в канале транспортировки РЭП вдали от катода ускоряет рост амплитуды регистрируемых сигналов благодаря раскачке интенсивных колебаний в своеобразной ловушке между катодом и пробкой магнитного поля.

АПК1БАШШРЛБ01Ь1:

Результаты, изложенные в диссертационной работе, регулярно обсуждались на научных семинарах сектора "Сильноточной и СВ.Ч

электроники" кафедры физической электроники СПбГТУ, докладывались на семинарах секции "Физическая электроника" при Санкт-Петербургском Доме ученых: Санкт-Петербург. 1988, 1990. 1995: на VIII Всесоюзной конференции по Физике низкотемпературной плазмы; Минск, 1991: на IV Международной школе "Стохастические колебания в радиофизике и электронике" (Хаос-94): Саратов, 1994; на Российской научно-технической конференции "Инновационные наукоемкие технологии для России": Санкт-Петербург, 1995; на 10-й зимней школе-семинаре по электронике СВЧ и радиофизике: Саратов, 1996; на 11-й Международной конференции "Веапи-96": Прага, 1996.

ПУБЛИКАЦИИ: По материалам диссертации опубликовано 12 работ, список которых приведен в конце автореферата.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из Введения, трех глав. Заключения и Приложения. Общий объём диссертации составляет 115 страниц, в ней имеется 35 рисунков, 4 таблицы, список литературы включает 137 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во Введении обоснован выбор темы диссертации, определены цели работы, отмечены научная новизна и практическая значимость проведенных исследований и полученных в работе результатов, сформулированы положения, выносимые на защиту, кратко изложено содержание работы. '

В главе 1 содержится краткий обзор научно-технической литературы, посвященный проблемам формирования Р-Щ н исследования пространственно-временных характеристик его объемного заряда. Там же определены задачи диссертационной работы.

Отмечено, что в настоящее время на практике достаточно широко используются системы формирования Р!)Ц в бесфольговых коаксиальных диодах с магнитной изоляцией (КДМИ) с холодными взрывоэмиссионными катодами. Обсуждаются закономерности формирования и движения катодной, коллекторной н диафрагмеиной плазмы. На основании -лого сделаны выводы о степени возможного влияния этих плазменных образований на характеристики пространственного заряда ГОГ1 и на развитие коллективных процессов в нем в типичных для установки СЭР-1 условиях.

В системах, использующих пучки микросекундной длительности, на характеристики РЭП наиболее сильно влияет расширение катодной плазмы. Из-за её движения поперек и вдоль магнитного поля происходит изменение в течение импульса структуры РЭП. величины тока, распределения скоростей электронов. Стабилизация во времени параметров эмитируемого

РЭП,-увеличение длительности импульса тока возможны при создании на пути движения катодной плазмы участка с нарастающим магнитным полем, где происходит её торможение.

Проанализированы процессы. приводящие к развитию неустойчивостей в электронных пучках высокой плотности. Для РЭП наиболее подробно ~ проанализировано развитие диокотронной неустойчивости, обусловленной широм угловых скоростей электронов. ; Экспериментальные и теоретические исследования свидетельствуют, что неоднородное распределение объёмного заряда, появляющееся вследствие развития этой неустойчивости, практически стационарно в течение всего импульса тока, т.е. нити, на которые разбивается пучок, "стоят" в Пространстве. Очевидно, что развитие неустойчивости такого типа не Должно солроваждаться выеокочастатным излучением.' В теоретическом анализе выявлена возможность развития колебаний пространственного заряда в электронных потоках, обусловленная поперечными градиентами продольных скоростей электронов. Имеются сведения о колебательных процессах, связанных с действием неоднородностей электрического и магштюго полей. Однако, роль такого типа процессов в реализуемых на практике РЭП пока не выяснена.

В теоретических Моделях определяются закономерности коллективных процессов в сильно идеализированных электронных системах. Однако, не учитътаемые при этом особенности формирования и транспортировки пучков могут омывать существеШае влияннё'на характфМсШкн этих процессов. Очевидна поэтому необходимость их экспериментального исследования.

В обзоре рассмотрены методы определения пространственно-временных характеристик РЭП. Такие данные необходимы дня изучения коллективных процессов в объёмном заряде. Наибольшую информацию о распределении тока в РЭП дают методы, основанные на фиксации тормозного рентгеновского излучения. Они позволяют получать данные об изменениях структуры пучка за времена ~5- 10 не. Информация о более высокочастотных процессах может быть получена при регистрации переменных полей; связанных с колебаниями пространственного заряда. Высокочастотные Исследования динамики пространственного заряда РЭП ограничивались, как правило, рассмотрением колебательных процессов в достаточно узких интервалах частот. Практически отсутствуют в литературе сведения о целенаправленных исследованиях колебаний объёмного заряда РЭП в полосе частот приблизительно от 100 МГц до 3000 МГц.

Учитывая важность пониманий закономерностей и роли коллективных процессов в РЭП, а также недостаток и разрозненность имеющихся сведений о них, очевидной представлялась необходимость постановки специальных систематических исследований, нацеленных на получение новой информации. Упор а работе было решено сдала» на экспериментальном исследовании наименее изученных ранее микросекундных РЭП с магнитным удержанием, находящих применение,

прежде всего, при построении мощных СВЧ устройств. Принимая во внимание самосогласованный характер происходящих в РЭП процессов, необходимо было изучить их пространственно-временные характеристики. Проведение таких исследований возможно в случае разработки соответствующих экспериментальных методик. •

В главе 2 представлена конструкция сильноточной экспериментальной установки СЭР-1, описаны используемые в работе методы определения параметров РЭП, пространственно-временных характеристик коллективных процессов в объемном заряде, приведены результаты контрольных и вспомогательных экспериментов, позволяющие выяснить технические возможности применяемых методик, определены основные силовые характеристики установки СЭР-1.

РЭП формировался в традиционном для сильноточных систем КДМИ. Эксперименты проводились при разной геометрии участка ускорения электронов. Была предусмотрена возможность плавной регулировки величины зазора по оси Ька между взрывоэмнссионным кромочным катодом и анодом. Исследования проводились при фиксированных значених 1>ка * 12 мм, 27 мм, 35 мм. Применялись катоды, изготовленные из нержавеющей стали и графита. Диамегр катода из нержавеющей стали Dk=20 мм. Используемые графитовые катоды имели диаметр D* = 20 мм или Dk=12 мм. Длина канала транспортировки составляла 1м, внутрений диаметр 32 мм. Для осаждения РЭП использовался торцевой коллектор или цилиндрический коллектор с развитой поверхностью. В части экспериментов при помощи двух дополнительных катушек 1 и 2, расположенных соответственно на расстояниях 20 см и 60 см от катода, создавались локальные неоднородности магнитного поля. Полуширина неоднородностей вдоль оси системы была 10 см, а их амплитуда ДВ в разных экспериментах составляла 30% или 60% от средней величины удерживающего пучок магнитного поля Во. Для определена характеристик колебаний пространственного заряда использовались высокочастотные зонды 3 и 4, расположенные соответственно на расстояниях 40 см и 80 см от катода.

Напряжение на катоде экспериментального прибора Uk уменьшалось с ростом тока РЭП до ~ 1,1 кА на фронте импульса от 220 кВ до ~ 180 кВ. Длительность импульса тока в зависимости от условий формирования РЭП составляла I- 3 мке, удерживающее пучок магнитное поле Во изменялось в ходе исследований, но не превышало 1,2 Тл.

Один из методов определения поперечной структуры РЭП основывался на регистрации тормозного рентгеновского излучения. Подача на экран РЭОП высоковольтных импульсов длительностью s 100 не, имеющих выбранную задержку относительно начала импульса тока, позволяла получать сведения о сгруктуре РЭП в разные моменты времени. С учетом

рассеяния рентгеновского излучения по толщине ( 2мм ) коллектора пространственное разрешение реализованного на установке СЭР-1 метода определения структуры РЭП по рентгеновскому излучению с коллектора составляло ~ 3 мм. Использование более тонкого коллектора было нежелательно из-за быстрого его разрушения.

Для длительных исследований структуры сильноточных РЭП при не слишком больших значениях энергии электронов 2 0,3- 0,5 МэВ был разработан оригинальный: метод, обладающий более высокой -чувствительностью и лучшим пространственным разрешением. В предлагаемом методе регистрируется тепловое излучение с коллектора, нагретого электронным пучком. Разработанная методика, имея хорошую чувствительность, позволяет регистрировать неоднородности в ЮП с характерными размерами менее. 1 "мм. К: недостаткам этого метода следует отнести возможность регистрации лишь усредненных за импульс "тепловых изображений" РЭП.

В зависимости отцелейэксперимемтз для определения структуры РЭП с высоким разрешением в пространстве или во времени целесообразно регистрировать соответственно тепловое или рентгеновское излучение с коллектора. Для контроля положения пучка в канале транспортировки, в том числе и при создании локальных неоднородностен магнитного поля, на расстояниях от катода ~ 40 см и ~ 80 см, а также вблизи коллектора были полученыотпечаткиРЭП на медныхмишекях... ......

Для определения характеристик колебаний пространственного заряда использовались широкополосые высокочастотные штыревые зонды-антенны. сообщающиеся с областью транспортировки пучка через малые отверстия диаметром ~ 3 мм, и регистрирующие наведенные сигналы, связанные с движением вблизи них сгустков пространственного заряда. Для защиты от возможных конвективных токов электронов из РЭП они были углублены относительно внутренней поверхности канала приблизительно на 2 мм. Было установлено, что при такой конструкции зонды "связаны".» преимущественно с коллективными процессами в ближней к ним зоне ~3 см.

Сигналы с зондовI поступали на вход скоростных осциллографов С7-19, Времейньй рёадазации" с экранов осциллографов с помощью телевизионной камеры передавались в ЭВМ и запоминались в ней. Фурье-анализ временных реализаций длительностью 5-15 наносекунд позволял . определять мгновенные спектры ^ регистрируемых колебаний. Для определения изменений амплитуды колебаний в течение импульса РЭП фиксировались продетектированные сигналы с зондов.

В главе 3 представлены новые результаты исследования пространственно-временных характеристик коллективных процессов в РЭП микросекундной длительности,,определена их связь со структурой пучка, предложены модели развития коллективных процессов, позволяющие объяснить полученные результаты, определены способы управления колебаниями пространственного. заряда при помощи неоднородных

электрических и магнитных полей.

Информация об изменениях в течение импульса формы поверхности, эмитирующей электроны, о пространственно-временных характеристиках РЭП была получена на основании измерений токовых характеристик (по времени закорачивания зазора катод-анод) и структуры пучка. . Такие сведения позволяют разделить во времени коллективные процессы, связанные с колебаниями расширяющейся катодной плазмы и собственно пространственного заряда РЭП.

На начальном этапе работы при регистрации теплового излучения с коллектора была определена связь усредненной за время импульса структуры РЭП с величиной удерживающего магнитного поля Во. Установлено, что для сохранения пучком на коллекторе формы, определяемой трубчатым катодом, в экспериментах на установке СЭР-1 необходимо использовать магнитные поля Во 2 0,5 Тл.

Исследования изменений во времени структуры РЭП проводились при регистрации рентгеновского излучения с коллектора. Обнаружено, чгго при транспортировке в однородном магнитном поле мгновенные распределения меняются в течение импульса, что свидетельствует об увеличении среднего диаметра пучка со скоростью (2-4)«105 см/с на переднем фронте импульса тока.

Создание локального увеличения магнитного поля на 30% от Во с помощью ближней к катоду катушки 1 приводит к изменению структуры пучка: повышает контраст кольцевого изображения. При создании такой неоднородности с помощью удаленной от катода катушки 2 удержание РЭП ухудшается по сравнению с предыдущими случаями. Это проявляется в увеличении интенсивности рентгеновского излучения из центральной области сечения пучка.

Дополнительные катушки располагаются вдали от катода. При их подключении не изменяются поля в области формирования РЭП, поэтому обнаруженные изменения структуры можно объяснить развитием коллективных процессов в пространственном заряде при транспортировке пучка.

Традиционные измерения структуры РЭП по следам на медных мишенях показали, что размер следа в канале транспортировки, в основном, соответствует диаметру катода. Обнаружено увеличение толщины стенки трубчатого РЭП по длине транспортировки. Наряду с четким отпечатком основного пучка имеется след от его ореола. Характер изменения поверхности медных мишеней не позволил нам этим методом определить соотношение плотностей токов в максимуме и на периферии пучка. Во всех исследуемых сечениях по длине канала транспортировки не обнаружено заметных изменений положения пучка в сечении канала при создании локальных неодиородностей магнитного поля с помощью дополшттельных катушек. Следы в коллекторной области согласовывались с "рентгеновскими" и "тепловыми" изображениями ГОП.

Исследования колебаний пространственного заряда показали, что в области ближнего к катоду зонда 3 максимальные амплитуды колебаний достигаются после начала спада импульса тока. По-видимому, такое увеличение сигнала связано с приходом в область этого зонда расширяющейся катодной плазмы. Рассчитанная по временному положению максимума пика скорость "продольного расширении зоны замыкания" диода плазмой с катода составляет 7«107см/с, что согласуется с литературными данными. Области удаленного от катода зонда 4 в течение импульса тока катодная плазма достигнуть не успевает.

По результатам проведенных исследований был определен интервал времен» от начала импульса тока, когда колебания, регистрируемые обоими зондами определяются, в основном* только процессами в пространственном заряде РЭП.

V Бьчлоустановлено,; что характерисгпот коле6а)1(!11 объёмного заряда РЭП меняются не только во времени t, но и по длине ханала транспортировки. На переднем фронте импульса тока можно выделить временные участки, для которых характерно нарастание колебаний пространственного заряда с удалением от катода. Эти данные свидетельствуют об усилении волновых процессов на участке между зондами, о том, что сигналы удаленного от катода зонда, во всяком случае в данном временном интервале, определяются нарастающими волнами в пучке.

.... Спектр колебаний, регистрируемых, в ото время, состоит из дискретного набора пиков в полосе частот от 100 МГц до 2000 МГц. В ближней к катоду области у зонда 3 в спектре колебаний, как правило, выделяются 3-5 пиков с наибольшими амплитудами, соответствующие им частоты попадают в интервал от 300 МГц до 1500 МГц. В сигнале с удаленного от катода зонда 4 наиболее интенсивные пики спектра лежат в диапазоне 300 МГц - 1000 МГц, а их количество уменьшается до 2-3.

Было установлено, что в области удаленного зонда 4, регистрирующего наиболее интенсивные колебания, переменные поля, связанные с колебаниями пространственного заряда РЭП, достигают значений ~ Ю4 В/м (Т.е. -10% от статического поля межгту пучком и стенкой канала транспортировки). ' * .*" ~

Для всех исследованных систем формирования Р9П в характеристиках колебаний с удаленного от катода зонда 4 можно выделить общие закономерности. Амплитуда сигнала А, нарастает,, ВО. времени, причем, скорость этого процесса сначала невелика, а затем, после некоторого характерного для данной системы момента времени t", резко увеличивается. Величина t* существенно зависит от геометрии участка ускорения электронов и материала катода.

С течением времени изменяется и спектр колебаний у обоих зондов. В начальные моменты времени Its t") при малых амплитудах сигналов преобладают сравнительно низкочастотные колебания в полосе частот

100МГц- 300МГц. С увеличением времени I от начала импульса тока, в условиях, когда реализуются достаточно большие амплитуды, в спектрах выделяются дискретные пики в диапазоне более высоких частот от 300 МГц до 2000 МГц.

Для получения дополнительной информации о развитии коллективных процессов в РЭП были проведены эксперименты по нзученто воздействия на характеристики колебаний неоднородных электрического и магнитных полей. Для создания локальных изменений магнитного поля использовались дополнительные катушки I и 2. Влияние на характеристики колебаний неоднородных элеторических полей анализировалось при изменении геометрии участка ускорения электронов в КДМИдДк, 1*а).

Установлено, что для всех случаев формирования РЭП воздействия одинаковых неоднородностей магнитного поля приводят к качественно подобным результатам. Эффект воздействия зависит не только от величины неоднородности, но и от её расположения по длине канала транспортировки.

Увеличение магнитного поля на 30% относительно Во с помощью ближней к катоду катушки I подавляет сигналы с обоих зондов. Сигналы с ближнего к катоду зонда 3 заметно уменьшаются в интервалы времени, коша они могут быть связаны с катодной плазмой. В области же удаленного зонда 4 четко отмечается падение интенсивности колебаний пространственного заряда РЭП. Уменьшение амплитуды колебаний здесь по сравнению со случаем однородного магнитного поля для разных систем формирования пучка достигает 1.5- 4 рдз. Увеличение этой неоднородности магнитного поля до 60% от Во приводит к дополнительному снижению амплитуды колебаний у зонда 4 в 2-4 раза.

Описанное выше изменение структуры РЭП при создании этой неоднородности магнитного поля связано, очевидно, с подавлением колебаний пространственного заряда в пучке. Создание такой неоднородностиулучшаетудержание ^транспортировку РЭП.

Введение подобной неоднородности магнитного поля о помошью удаленной от катода катушки 2, наоборот, ведет к увеличению скорости нарастания колебаний у обоих зондов. При этом ухудшается удержание РЭП по сравнению со случаем, когда выключены обе катушки, что связано с усилением колебаний и области перед пробкой магнитного поля.

Более быстрое (по сравнению со случаем однородного магнитного поля) нарастание колебаний у ближнего зонда 3 на переднем фронте импульса тока при подключении удаленной от катода катушки 2 находит объяснение, если предположить, что создание пробки магнитного поля приводит к отражению части электронов РЭП, которые оказывают сильное влияние на характеристики регистрируемых колебаний. Учитывая адиабатическое изменение магнитного поля при создании неоднородностей с помощью дополннтельньи катушек, для определения условий отражения можно воспользоваться выражением адиабатического инварианта. Так как

воздействие неоднородностей магнитного поля становится ощутимым при Во /ДВ s 3, следует, что отражены должны бьггь электроны с поперечными скоростями в 3 превышающими их продольные скорости (Vj. > 1,7.Vn). Такие большие поперечные скорости ( при полной энергии электронов в канале транспортировки - 150 кВ) могут быть приобретены выходящими нз катодной плазмы электронами при движении в поперечном магнитному электрическом поле Е1~108В/м. Для определения условий появления электронов со столь большими поперечными скоростями, были проведены оценки полей у поверхности плазменного эмиттера при' разных его размерах и аксиальных положениях. Они показали, что поля Ei. необходимой напряженности могут возникать у неоднородностей внешней боковой границы плазмы вблизи входа в канал транспортировки, т.е. с запаздыванием t» отнсхшедьндчЦуала шшулма wm, 'аолароч очреаишаея , расстоянием от катода до'этой области а скоростью расширения катодной плазмы. Проведенные нами приближенные расчеты изменения во времени полей у поверхности движущегося плазменного эмиттера позволили определить время запаздывания t3 для исследованных систем. Сравнение расчетных значений h с измеренным экспериментально запаздыванием t* резкого нарастания сигналов с дальнего от катода зонда 4 показывает, что для всех исследованных систем времена ti и t* близки по величине. Это подтверждает, как нам кажется, важную роль электронов с большими поперечными скоростями ( -Vi - >- 1 ,7»Vij ••)• - в развитии • колебаний пространственного заряда. Такие электроны, судя по механизму их появления, присутствуют только в ореоле РЭП.

На основании полученных экспериментальных данных определены возможные механизмы развития коллективных процессов в пространственном заряде РЭП. Отмечено, что с точки зрения влияния на пространственно-временные характеристики РЭП наиболее важными и интересными для исследования являются интенсивные колебания объёмного заряда, появляющиеся с задержкой относительно начала импульса тока.

Возможной причиной возникновения интенсивных колебаний Представляется . развитие двухпотоковой неустойчивости, обусловленной взаимодействием электронов периферии пучка (ореола) с большими поперечными скоростями (соответственно малыми продольными Уци) и электронов с торца плазменного эмиттера с большими продольными скоростями V||s. Наиболее эффективным такое взаимодействие должно быть при синхронизме быстрой волны пространственного заряда в первом потоке ( V||U} с медленной волной пространственного заряда во втором ( Vjj« Оценка частоты развивающихся колебаний при типичных для установки СЭР-1 условиях экспериментов дает значение ~ 600 МГц. Полученное значение частоты приближенно соответствует наиболее интенсивным колебаниям/наблюдавшимся в экспериментах.

Двухпотоковая модель развития колебаний согласуется с полученными результатами. Её конвективный характер прн взаимодействии сонаправленных потоков позволяет объяснить обнаруженный в экспериментах при транспортировке РЭП в однородном магнитном поле рост амплитуды колебаний по длине пучка. Снижение амплитуды колебаний у дальнего зонда 4 прн локальном увеличении магнитного поля происходит из-за того, что при этом воздействии в области за пробкой магнитного поля исчезают электроны с большими поперечными скоростями из ореола РЭП. В результате эффективность конвективного роста колебаний снижается.

Однако, при таких , воздействиях отраженные электроны накапливаются в своеобразной ловушке между катодом и областью нарастающего магнитного поля. Прн этом в пространственном заряде могут развиваться колебания "ловушечного" типа, связанные с наличием долгоживуших осциллирующих электронов. '

Такие колебания в ЮП при I > С* были зарегистрированы ближнимк катоду зондом 3 при увеличении магнитного поля с помощью удаленной от катода катушки 2. При таком воздействии неоднородного магнитного поля время начала интенсивных колебаний на обоих зондах практически совпадает с 1*- моментом появления в пучке электронов с большими Поперечными скоростями. Развитие колебаний в ловушке привело не только к значительному увеличению амплитуда» сигнала с зонда з (в "ловушк?"), но и к большей скорости нарастания колебаний у дальнего от катода зонда 4.

Наличие двухпотокового усиления колебаний пространственного заряда не исключает возможностей развития других видов неустойчивостей в РЭП. Во всей области транспортировки ЮП существуют скрещенные электрическое и магнитное поля. Это Может привести к развитию неустойчивостей пространственного зарядатипичных для магнетрониых систем и связанных с движением вокруг оси азимутальных НеодНородаостсй пространственного заряда.

Как отмечалось в главе 1, в литературе наиболее подробно исследована диокотронная неустойчивость в РЭП. имеющая такую природу. Однако, практически стационарное во времени расслоение пучка на нити не позволяет объяснить зарегистрированные в экспериментах интенсивные высокочастотные колебания. Можно предложить дополнительные механизмы влияния диокотронной неустойчивости на развитие коллективных процессов в ЮП.

Зарегистрированные колебания частично ; могут определяться развитием диокотронной неустойчивости в потоке электронов у боковой поверхности катодной плазмы. Очевидно, что при этом в ЮП 'должны возникать вращающиеся в азимутальном направлении неоднородности пространственного заряда, обусловленные поступлением в пучок ("эмиссией") электронов из сгустков, вращающихся над поверхностью плазменного эмиттера. Колебания такого типа должны усиливаться с продвижением катодной плазмы к аноду в область сильного поперечного

электрического поля. Поэтому задержка начала интенсивных азимутальных колебаний у боковой поверхности катода может быть близка к 1*. Оценки частоты. I', развивающейся ..при этом неустойчивости, проведенные с помощью соотношений, описывающих автоколебания в системах магнетронного типа, дают хорошее совпадение с экспериментом. Так для первого веда колебаний на поверхности катода получаем Г = 500 Мги, что приблизительно' соответствует частоте колебаний, имеющих наибольшие амплитуды.

■ Азимутальные колебания подобного типа . могут возникать - и .. в пространственном заряде электронов, удерживаемых в своеобразной ловушке между катодом п мапштной пробкой. Как уже отмечалось выше, в эту ловушку поступают электроны с достаточно большими поперечными скоростями, . отразившиеся от пробки магнитного поля.. Развитие диокотронной' неустойчивости -в облаке долгожнвушнх •-электронов -в ■ ловушке приведет к азимутальному движению образующихся сгустков.

Более точно определить на основе имеющихся экспериментальных данных и сделанных оценок относительную роль рассмотренных типов колебаний пока не представляется возможным. Реальной представляется ситуация, в которой коллективные процессы в РЭП носят трехмерный характер, одновременно существуют разные типы колебательных движении и при малом изменении характеристик пучка происходит перекачка энергии из одной степени колебательного движения в другую подобно тому, как это наблюдалось ранее в системах магнетронного типа с учетом аксиального движения электронов. ..... ...................................

В Заключении подведены итоги диссертационной работы. Важнейшие получении? в ней результаты состоят в следующем:

I. Создана сильноточная экспериментальная релятивистская установка СЭР-1 для формирования и исследования релятивистских электронных пучков с характеристиками, типичными для современных мошных СВЧ устройств (энергии электронов до 500 кэВ. токи пучка приблизительно до 5 кА, длительности импульсов I- 3 мке, удерживающие пучок магнитные поля до 1,2 Тл).

.....' 2. Разработана и реализована на практике комплексная методика

исследования пространственно-временных характеристик коллективных процессов в РЭП, включающая:

-методику определения структуры РЭП на основе измерения хараШрйстик Т^ловЫх'ирейтгейоВскнх излгученйП с поверхности коллектора, а также на основе регистрации следов пучка на металлических мишенях:

-методику определения амплитудно-частотных характеристик быстропротекаюших коллективных процессов в объемном заряде РЭП на основе анализа коротких (дшпепыюстью порядка единиц наносекунд) разовых реализаций сигналов и продетектнрованных ' сигналов со слабосвязанных с пучком широкополосных зондов;

-методику создания регулируемых неоднородностей электрического и магнитного полей на участках формирования и транспортировки РЭП и изучения воздействия неоднородных полей.

Созданная слабовозмушаютцая методика исследований сочетает хорошую помехозащищенность, высокие показатели пространственного и временного разрешения и обеспечивает благодаря этому возможность получения комплекса данных. необходимых для определения закономерностей пространственно-временных характеристик коллективных процессов в РЭП мнкросекундной длительности, в том числе: о структуре РЭП в коллекторной области с временным разрешением с 100 не и пространственным разрешением ~1мм. а также о "мгновенных" характеристиках колебаний пространственного заряда в широкой полосе частот примерно до 5 ГГц с пространственным разрешением ~3 см.

3. Изучены характеристики коллективных процессов в пространственном заряде РЭП. Исследования выполнены в КДМИ со взрывоэмисснонными' катодами из нержавеющей стали и углерода. В процессе работы варьировались в широких пределах геометрия участка ускорения электронов, величинаЧ> распределение магнитного поля, условия осаждения электронов на коллектор. Это позволило выявить достаточно обшие закономерности процессов в пространственном заряде РЭП. Определены закономерности высокочастотных колебаний катодной плазмы при ее дрейфе в канале транспортировки и выявлены собственные колебания пространственного заряда РЭП. Установлено, что колебания пространственного заряда имеют многочастотный спектр. Наиболее интенсивные колебания имеют конвективную природу. Их амплитуда нарастает во времени и с удалением от катода и достигает значений 40% от статических полей в зазоре между пучком и стенкой канала транспортировки. Частоты колебании максимальной а мили гуды лежат, обычно, в диапазоне 300 МГц- 1000 МГц.

4. Определены наиболее вероятные механизмы развития колебаний пространственного заряда. Один из основных механизмов возникновения колебаний конвективной природы может быть связан с развитием двухпотоковой неустойчивости, обусловленной взаимодействием потока электронов в ореоле РЭП с большими поперечными скоростями

• | ,7Л'|.), эмштнрованных внешней боковой поверхностью плазменного каюда вблизи входа в канал транспортировки, и потока электронов с торца шизменного эмнпера, имеющих наибольшие продольные скорости V«. Колебания пространственного заряда, наряду с этим, мотут быть связаны с развитием диокофонноп неустойчивости в потоке электронов с боковой поверхности плазменного катода, приводящей к вращению азимутальных неоднородиостсй пространственно! о заряда РЭП.

Выявлены специфические колебания пространственного заряда, возникающие при создании локальных неоднородиостсй матитного поля в канале трансноршровкп Р >11. дано объяснение' Их физической природы с учетом отражения электронон ■ с бщыними поперечными (малыми. 14

продольными) скоростями и развития коллективных процессов в группе долгоживущих электронов, удерживаемых в своеобразной ловушке между пробкой магнитного поля и катодом.

6. Исследовано влияние локальных неоднородностей магнитного поля на колебания конвективной природы в P-MI. Установлено, что неоднородности магнитного поля пробочной конфигурации могут быть использованы как" для'подавления колебаний, так н для их усиления. Максимальный эффект подавления в исследованной системе достигается при создании такой неоднородности вблизи катода. Локальное повышение магнитного поля в канале транспортировки РЭП вдали от катода увеличивает амплитуды регистрируемых сигналов.

Итак, в настоящей работе впервые получен комплекс данных об основных закономерностях сложной пространственно-временной динамики объёмного заряда, мнкросскундного,, Р.)П, с. магнитным удержанием, определены важнейшие механизмы коллективных процессов и выявлены способы управления ими.

Результаты диссертации достаточно надежны, так как получены с помощью тщательно отработанных елабово змущающнх методов диагностики, согласуются с известными из литературы экспериментальными данными н теоретическими представлениями о процессах в РЭП. Они позволяют лучше понять важнейшие факторы, влияющие на формирование и транспортировку Р)Г1, и мшут быть использованы для отыскания путей создания сильноточных электронных пучков высокого качества. Результаты работы представляют значительный интерес не только для СВЧ электроники больших мощностей, но и дня развития наших представлений о физике нелинейных процессов в сложных распределенных системах.

В Приложении приведены численные оценки, используемые в работе.

ООН )ВНЫК РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

(l| Apxitiiou Л.П., Богданов Л.Н>.. Носкресенский С.П., Левчук С.А., Лукша О.П.. Сомииский Í .Г» Развитие методов .диагностики сильноточных электронных' потоков. . Проблемы физической электроники. Сб. науч. трудов,-Л.: Изд. .т!ЯФ АН СССР. 1989,-с.28-47." '" '

|2| 1>о1данов Л.1<>.. Носкрссенский С.В.. Сомннскнй Г.Г. Исследование характеристик ~ релямишетскоиь- электронного пучка. ./ Проблемы физической электроники. Сб. научи. трудов.- Л.:Изд. ЛПЯФ АН СССР. 1991.- с. 102-119.

[31 Boiданов Л.К'., Сомннскнй Г.Г. Слабовозмушаюшая диагностика заряженной пучковой плазмы. В сб. Физика низкотемпературной плазмы,- 4.11 Материалы V111 Всесоюзной конференции. Минск,- 1991,-c.I64-I6S. • - , '

[4| Богданов Л.Ю., Соминский Г.Г. Способ регистрации распределения плотности потока электронов в сечении импульсного сильноточного электронного пучка.- Патент № 2006879 ( Россия ) от 27.06.9 Г.

[5] Богданов Л.Ю., Соминский Г.Г. Исследование колебаний пространственного заряда релятивистского электронйого пучка. // ЖТФ.-Т.65.- 1995.-вып.12.-с.77-84.

[6] Архипов A.B.. Богданов Л.Ю., Воскресенский C.B.. Левчук CA., Лукша О.И.. Соминский Г.Г. Исследование колебаний объемного заряда и формирования пространственных структур в электронном потоке с магнитным удержанием. // Изв. вузов. Прикладная нелинейная динамика.-1995,- Т.3.-4.1.- вып.4,- с.41-52.

[7] Архипов A.B., Богданов Л.Ю.. Воскресенский C.B.. Левчук CA., Лукша О.И., Соминский Г.Г. Исследование колебаний объемного заряда и формирования пространственных структур в электронном потоке с' магнитным удержанием. И Изв. вузов. Прикладная нелинейная динамика.-1995,-т.З.- ч.Н.- вып.5.

(8| Архипов A.B., Богданов Л.Ю.. Воскресенский C.B., Дворецкая Н.В., Левчук С.А., Лукша О.И., Соминский Г.Г. Формирование и диагностика сильноточных электронных потоков для мошных устройств. // Российская научно-техническая конференция "Инновационные наукоемкие технологии для России".- Санкт-Петербург.- 25- 27 апреля 1995 г.- тезисы докйадов.-Ч.9.-С.32.

[9] Архипов A.B., Богданов Л.Ю., Соминский Г.Г. Моделирование и исследование процессов при взаимодействии интенсивных электронных потоков с поверхностью твердого тела. // Российская научно-техническая конференция "Инновационные наукоемкие технологии для Россин".-Санкт-Петербург.-25-27 апреля 1995 г..-тезисы докладов.-ч. 9.-С.35.

[10] Богданов Л.10., Соминский Г.Г. Управление коллективными процессами в релятивистских электронных пучках с помощью неоднородных магнитных полей. II Российская научно-техническая конференция "Инновационные наукоемкие технологии для России".- Санкт-Петербург. 25-27 апреля ¡995 г..- тезисы докладов.- ч. 9.- с.36.

(11| Архипов A.B.. Богданов Л.Ю., Воскресенский C.B., Дворецкая Н.В., Левчук С.А., Лукша О.И., Соминский Г.Г. Пространственно-временные характеристики электронных потоков мошных СВЧ устройств. // В сб.: Лекции по СВЧ электронике и радиофизике. 10-я зимняя школа-семинар. Саратов: Изд. ГосУНЦ "Колледж". 1996.- кн.?.- с 3-34.

112] Bogdanov L.Yu., Sominski G.G. Experimental study of collective processes in REB. .'! Proceedings of 11-th International Conference on High Power Particle Beams.- Prague.- Czech Republic. -1996.- v.l.- p.3!9-322.