Влияние объемного заряда на процессы формирования сильноточных электронных пучков и их взаимодействия с электромагнитными полями тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ СИЛЬНОТОЧНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Р Г Б ОА

3 I !Н0Л Шй?

На правах рукописи УДК 537.533, 621.385

ПЕГЕЛЬ Игорь Валериевич

ВЛИЯНИЕ ОБЪЕМНОГО ЗАРЯДА НА ПРОЦЕССЫ ФОРМИРОВАНИЯ СИЛЬНОТОЧНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКОВ И ИХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМИ ПОЛЯМИ

01.04.04 - физическая электроника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физшсо - математических наук

Томск - 1995

Работа выполнена в Институте сильноточной электроники СО РАН, г. Томск

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук Коровин С.Д. (ИСЭ СО РАН)

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Кошелев В.И. (ИСЭ СО РАН) кандидат физико-математических наук Шлапаковский А.С. (НИИЯФ при ТПУ)

Ведущая организация:

Институт общей физики РАН

Защита состоится

1995 г. в

часов на заседани:

специализированного совета Д 003.41.01. в Институте сильноточной электроники С( РАН по адресу:

634055, г. Томск, пр. Академический, 4 (аудитория 408). С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИСЭ СО РАН.

Отзывы на автореферат, в двух экземплярах, заверенные печатью, просим высылать п указанному выше адресу на имя ученого секретаря специализированного совета. Факс (3822) 25-91-34.

Автореферат разослан_июля 1995 г.

Ученый секретарь

специализированного совета /У

доктор физико-математических наук (^Сук г Д-И.

Проскуровский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Одним из основных объектов сильноточной электроники являются релятивистские электронные пучки (РЭП), формируемые в вакуумных диодах с "холодными" катодами в условиях ограничения тока собственным объемным зарядом. Применение сильноточных РЭП в релятивистской высокочастотной электронике позволило достичь рекордных (10М010 Вт) мощностей генерации микроволнового излучения. Тем не менее, и на сегодняшний день достигнутые уровни эффективности преобразования энергии сильноточных РЭП в излучение, как правило, не превышают 30%. Одна из основных причин этого заключается в сильноточности используемых электронных пучков, означающей существенное влияние полей собственного объемного заряда. Последнее сказывается на всех стадиях использования РЭП в СВЧ-устройстве, причем, с точки зрения транспортировки пучка и его взаимодействия с электромагнитными волнами, оно в большинстве случаев негативно.

В устройствах сильноточной СВЧ-элеетроники широко применяются вакуумные коаксиальные диоды с магнитной изоляцией (КДМИ) со взрывоэмиссионными катодами кромочного типа. Однако структура РЭП, формируемого в таком диоде, лишь приближенно может быть охарактеризована как трубчатая. В действительности пучок обладает достаточно сложной микроструктурой. Ее знание необходимо при использовании РЭП для генерации микроволнового излучения, в особенности при малой напряженности внешнего магнитного поля, что актуально с точки зрения создания СВЧ-источников, работающих в импульсно-периодическом режиме. В связи с этим, актуальным является детальное исследование формирования сильноточных РЭП в вакуумных коаксиальных диодах со взрывоэмиссионными катодами кромочного типа.

Характерной чертой сильноточных РЭП является их нестационарность. Режим генерации РЭП является принципиально импульсным. Максимальная длительность импульса обычно ограничивается временем перемыкания диодного промежутка разлетающиейся катодной плазмой. Процесс взрывной электронной эмиссии также нестационарен. Наконец, дополнительной причиной нестационарности РЭП является автоколебательное поведение объемного заряда в скрещенных полях, как правило, присутствующих вблизи эмиссионной поверхности катода. Возмущения плотности тока в пучке приводят к появлению у него собственных электромагнитных шумов, влияющих на работу СВЧ-устройств.

В последнее время важным методом исследования в электродинамике и физик плазмы стало нестационарное численное моделирование с использованием метод макрочастиц. На основе этого метода созданы двух- и трехмерные "полносты электромагнитные" компьютерные коды, позволяющие производить расчет реальны электронных устройств с достаточно полным учетом их геометрических и физически параметров. Вместе с тем, метод макрочастиц открывает широчайшие возможности да решения простых модельных задач. Будучи совместимым с различными упрощенным способами описания электромагнитного поля, он может быть успешно применен н только к решению проблемы формирования электронных пучков, но и к задачам взаимодействии пучков с излучением.

Одной из таких задач является задача генерации микроволнового излучения релятивистской лампе обратной волны (ЛОВ). Этому СВЧ-прибору, как и многи другим, свойственны нестационарные рабочие режимы. Несомненный практически интерес представляют изучение влияния объемного заряда на процессы взаимодействи РЭП с электромагнитным полем. Все это делает актуальным нестационарно моделирование генерации электромагнитного излучения в релятивистской ЛОВ.

Среди устройств релятивистской ВЧ-элекгроники важное место занимаю приборы, основанные на вынужденном рассеянии электромагнитных волн преобразованием частоты излучения. Одним из них является релятивистский убигро1 При использовании сильноточного электронного пучка встает проблема ег транспортировки в электродинамическом тракте. Представляется возможны: частичный или полный отказ от применения для этой цели соленоидальных магнитны полей как невыгодного с энергетической и технологической точки зрения. Требуе исследования вопрос о возможности транспортировки РЭП собственно ондуляторны; полем, которое, как и всякое магнитное поле, должно обладать электроннс фокусирующими свойствами.

В связи с этим целесообразно проведение теоретического исследования динамик сильноточного РЭП в комбинированном (пространственно-периодическо; ондуляторном и продольном однородном) магнитостатическом поле с целы определения возможностей транспортировки пучка и характера движения электронов.

Цель диссертационной работы - экспериментальное, численное и аналигическо исследование влияния собственного объемного заряда сильноточных релятивистски электронных потоков на процессы их формирования, транспортировки во внешни полях и взаимодействия с электромагнитным излучением, а также разработка методо нестационарного численного моделирования динамики сильноточных электронны потоков в задачах сильноточной электроники и релятивистской высокочастотно электроники.

Научная пенность и иовнзиа результатов

Результаты экспериментального исследования сильноточных релятивистских электронных пучков в коаксиальных магнитноизолированных диодах расширяют знания о структуре и динамике РЭП. В совокупности с результатами численного моделирования они развивают представления о процессах формирования сильноточных потоков заряженных частиц в режиме полного объемного заряда.

Впервые на основе метода макрочастиц выполнено нестационарное численное моделирование процессов генерации электромагнитного излучения в релятивистской лампе обратной волны в комплексе с коаксиальным электронным диодом. Полученные сведения расширяют и уточняют представления о физических процессах в электронных устройствах с инерционным типом группировки. В численном расчете подтверждено ранее наблюдавшееся в эксперименте явление циклотронного поглощения излучения в ЛОВ. Продемонстрированы аномальное ускорение и торможение части электронов сильноточного РЭП при его инерционной группировке, а также эффект обратного тока в ЛОВ.

В результате исследования динамики РЭП в ондуляторном и однородном магнитостатических полях получены результаты, расширяющие возможности использования сильноточных электронных пучков в релятивистских убитронах. Найдены условия, необходимые для транспортировки сильноточных РЭП ондуляторным полем. Показано явление раскачки колебаний пучка на частотах, кратных половине баунс-частоты, в комбинированном поле в случае относительно малой овдуляторной компоненты.

Разработанная в диссертации методика численного моделирования и компьютерные коды на основе метода макрочастиц расширяют возможности численного эксперимента в области физики потоков заряженных частиц и электродинамики.

Практическая пепяость работы

Полученные в диссертационной работе сведения о структуре и динамике сильноточных РЭП в коаксиальных диодах с магнитной изоляцией используются при конструировании диодов импульсных наносекундных ускорителей электронов прямого действия, а также источников мощного СВЧ излучения на их основе.

Сведения о процессах генерации в релятивистской черенковской лампе обратной волны, являющейся в настоящее время одним из самых эффективных источников мощного СВЧ-излучения на основе сильноточных РЭП, необходимы для практической реализации приборов этого типа.

Сведения о динамике сильноточных РЭП в однородном и пространственно-периодическом магнитостатических полях практически необходимы при

конструировании убитронов - источников мощного высокочастотной электромагнитного излучения.

Осуществленная в диссертации разработка методики численных экспериментов п< динамике сильноточных РЭП и генерации мощного электромагнитного излученш позволяет облегчить и сделать более целенаправленным проведение натурны: экспериментов и конструирование электронных приборов, делает возможным боле( экономичное использование научных и производственных ресурсов.

Результаты работы используются в ИСЭ СО РАН, МРТИ РАН, Университете Нью Мексико и Национальной лаборатории Sandia (США), GEC-Marconi (Великобритания)

Публикация и апробация результатов. Основные материалы по теме диссертаци1 опубликованы в работах [1-11] и докладывались на V, VII Всесоюзных семинарах п< релятивистской высокочастотной электронике (Новосибирск, 1987, Томск, 1991), н. VII, VIII, IX Симпозиумах по сильноточной электронике (Томск, 1988; Свердловск 1990; Пермь - Москва, 1992), а также на 9 Конференции IEEE по импульсной техник (Альбукерке, 1993), XVI Международном симпозиуме SPIE по разряду и электричсско! изоляции в вакууме (Москва - Санкт-Петербург, 1994), Международном симпозиуме п< электромагнитным явлениям EUROEM-94 (Бордо, Франция, 1994), Международно] конференции по физике плазмы ICOPS'94 (Санта Фе, США, 1994), 10 Международно] конференции по мощным пучкам частиц BEAMS-94 (Сан Диего, США, 1994).

Структура я объем диссертации. Диссертация включает введение, четыре главь заключение, три приложения и список литературы из 101 наименования. Объе диссертации составляет 171 страницу, число рисунков - 89.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во Введении обосновывается актуальность темы, формулируется цель исследовани* оценивается научная новизна и практическая значимость работы, кратко излагаете содержание диссертации и формулируются научные положения, выносимые на защиту В первой главе излагаются результаты экспериментальных исследовани структуры сильноточных релятивистских электронных пучков наносекунднс длительности в коаксиальных вакуумных магнитноизолированных диодах с кромочны катодом.

В п. 1.1 дается описание техники, использованной в эксперименте. Исследован* проводились на сильноточном наносекундном ускорителе электронов прямого действ* "Синус-K". Длительность импульсов напряжения в диоде составляла 20 не щ амплитуде около 500 кВ, ток пучка - около 5 кА. Был использован коаксиальнь вакуумный диод бесфольговой конструкции с холодным взрывоэмиссионным катоде из графита. Напряженность внешнего продольного магнитного поля достигала 30 к!

4

Энергия и ток пучка измерялись емкостным делителем и поясом Роговского, парциальные токи пучка - малоиндуктивным шунтом.

В п. 1.2. описана методика и результаты исследования пространственного распределения тока РЭП. Для построения профилей измерялись токи пучка, прошедшие через малые отверстия в тонкой поперечной диафрагме, а также фиксировались автографы пучка на полимерных мишенях.

При малой напряженности магнитного поля токовые профили РЭП довольно сложны и существенно меняются с продольной координатой. В пучке заметен плотный электронный слой, несущий до 40% тока и имеющий выраженную фазу циклотронного вращения. Наблюдается медленная эволюция токовых распределений в течение импульса, сопровождающаяся ростом полного тока пучка. При этом прирост тока происходит только на определенных радиусах. Это явление объясняется распространением эмиссии по поверхности катода в течение импульса.

В большом магнитном поле профили тока имеют характерный вид с двумя максимумами, что, во-видимому, объясняется сильной электростатической экранировкой средней части кромки катода. Несмотря на постоянство величины полного тока, толщина стенки пучка растет в течение импульса. Это объясняется расширением катодной плазмы поперек магнитного поля. При этом скорость плазмы оценивается в 2-106 см/с.

Измерения показали также, что токи пучка через малые отверстия совершают нерегулярные колебания с характерными временами в единицы наносекунд.

Приведены результаты некоторых экспериментов, демонстрирующих дискретность эмиссионной поверхности на катоде.

П. 1.3 посвящен вопросу измерения радиусов циклотронного вращения электронов в пучке. Предложен способ нахождения функции распределения тока пучка по циклотронным радиусам в эксперименте с пропусканием пучка через коллиматор с длинными продольными створками. Получены зависимости максимального циклотронного радиуса от напряженности магнитного поля.

Применение коллиматора также позволяет оценить степень азимутальной неоднородности РЭП. Ток пучка через коллиматор, раскрытый на малый угол, демонстрирует хаотические колебания наносекундного масштаба, подобные наблюдавшимся в эксперименте с малыми отверстиями. Это говорит о мгновенной азимутальной неоднородности тока РЭП. Было установлено, что характерный масштаб неоднородности имеет порядок максимального циклотронного радиуса электронов.

В п. 1.4 обсуждаются вопросы корректности измерений микротока РЭП, а также возможные причины его нестабильности. Сделано предположение, что одной из причин может являться собственная нестационарная динамика объемного заряда электронного потока в области формирования.

Вторая глава по своему содержанию тесно связана с первой и посвящ« численному моделированию процессов формирования сильноточных электроннь потоков в коаксиальных диодах с внешним магнитным полем.

В п. 2.1 даны результаты численного расчета стационарных состояш сильноточного РЭП в КДМИ с кромочным катодом итерационным методом приближении осевой симметрии. Для расчета использована программа ЗирегБАМ ( 2.1.1). Выполнен расчет диода, исследованного экспериментально (глава 1), при малс напряженности магнитного поля (3.3 кЭ) и напряжении 500 кВ. Электронная эмисс! задавалась в пределах закругления кромки катода. Полученные в расче характеристики РЭП согласуются с экспериментальными, соответствующими малы временам от начала импульса тока, что свидетельствует о том, что эмиссионн; поверхность на ранних стадиях имеет вид, близкий к заданному в расче! Подтверждено существование в пучке плотной синфазной фракции электронов относительно малыми поперечными скоростями. Она образуется электронам эмитированными с внутренней поверхности кромки катода (п. 2.1.3).

В п. 2.1.3 даны расчетные зависимости тока пучка и максимального циклотронно радиуса электронов от напряжения в диоде и напряженности ведущего магнитно поля. Зависимость тока пучка от напряжения удовлетворяет нерелятивистскому зако] "трех вторых". Для оценки величины максимального циклотронного радиуса мож] пользоваться известным выражением для плоского диода.

Расчеты показали, что стационарная конфигурация пучка достигается лишь в то* случае, когда максимальный радиус циклотронного вращения электронов существенш превосходит протяженность эмиссионной поверхности. При задании эмиссии ' внешней цилиндрической поверхности кромочного катода вокруг него образуете; электронная "втулка". При этом стационарное состояние пучка не достигается. Длин боковой эмиссионной поверхности, достаточная для появления этого эффекта уменьшается с ростом магнитного поля, и в сильном магнитном поле стационарно решение невозможно даже при локализации эмиссии на закруглении кромки (п. 2.1.4)

Отсутствие стационарного решения объясняется неустойчивостью объемного заряд в скрещенных полях вблизи боковой поверхности катода. Ослабить эффект 1 расширить область стационарных состояний пучка позволяет использование катода и ферромагнитного материала. Расчеты показали, что пучок при этом приобретает боле ламинарную структуру, а его толщина увеличивается, что приводит и к заметном увеличению тока.

Для анализа причин нестационарною поведения электронного потока в облает формирования было предпринято численное моделирование методом макрочастиц (г 2.2). При этом использовались как простые созданные автором двух- и трехмерны

модели на основе потенциального приближения, так и осесимметричная 2.5-мерная версия полностью электромагнитного кода KARAT (В.П. Тараканов, г. Москва).

В п 2.2.1 дано краткое описание вариантов постановки электродинамических задач при использовании метода макрочастиц.

В п. 2.2.2 описаны результаты моделирования КДМИ с кромочным катодом в приближении осевой симметрии с помощью кода KARAT.

В случае малых магнитных полей (3.3 кЭ) распространение эмиссии за пределы кромки катода приводит к появлению пульсаций электронной "втулки" около его внешней цилиндрической поверхности. Кроме того, оно вызывает увеличение тока пучка на величины до 20%, что подтверждает высказанное в п. 1.2 предположение о механизме экспериментального роста тока РЭП в малом магнитном поле в течение импульса. Продемонстрировано хорошее соответствие расчетных профилей тока РЭП с экспериментальными, соответствующими малым временам от начала импульса тока, при задании эмиссии на закруглении кромки катода.

Моделирование показало существенную нестабильность микротока РЭП при развитой эмиссионной поверхности. Наряду с относительно высокочастотными (около 5 ГГц) квазигармоническими колебаниями, наблюдались низкочастотные нерегулярные колебания с характерными временами в единицы наносекунд, подобные зарегистрированным в эксперименте.

Случай большого магнитного поля демонстрирует сильную электростатическую экранировку внутренней части кромки катода потоками электронов с ее периферии. Она приводит к появлению характерного "двугорбого" профиля плотности тока РЭП, что согласуется с результатами эксперимента. Расчетный уровень нестабильности микротока в этом случае значительно меньше экспериментального. По-видимому, основным фактором нестабильности при больших Н являются нестационарные процессы, сопутствующие взрывной электронной эмиссии на катоде.

Для корректного исследования динамики электронного потока вблизи цилиндрической поверхности кромочного катода представляется необходимым учет азимутальных возмущений объемного заряда. Об этом свидетельствует опыт исследования магнетронных диодов (МД). В связи с этим, было выполнено моделирование переходных процессов в двумерном продольно-однородном магнетронном диоде (п. 2.2.3) в потенциальном приближении. Численное моделирование показало, что процесс релаксации электронного потока в МД включает стадию радиальных пульсаций, занимающую несколько циклотронных периодов, продолжительную стадию существования выраженной азимугально-периодической структуры, и заканчивается стадией развития анодного тока, в которой периодическая структура размывается.

Стадия выраженной азимутально-периодической структуры была проанализирована более подробно как имеющая ближайшее отношение к процессам, происходящим на боковой поверхности кромочного катода. Было выяснено, что периодичность облака объемного заряда обязана своим появлением волнам полной электростатической экранировки (запирания тока), бегущим по поверхности катода.

Для объяснения зависимостей частоты колебаний и числа азимутальных вариаций объемного заряда от напряженности аксиального магнитного поля были получены (в нерелятивистском приближении) простые аналитические выражения. При их выводе в основу были положены явление периодической электростатической экранировки катода объемным зарядом и предположение о сохранении числа азимутальных вариаций при переходе электронной "втулки" из двухпоточного в однопоточный режим. Полученные выражения хорошо согласуются с модельными результатами при нерелятивистском напряжении в диоде.

Полученная в расчете функция распределения электронов по "времени жизни" б МД демонстрирует наличие долгоживущих частиц, находящихся в диоде с начала процесса.

Для учета конечных продольных размеров диода и эмиссионной поверхности был выполнен простой трехмерный расчет (п. 2.2.4). Вместо реальной конфигурации диода был рассмотрен отрезок коаксиальной линии с периодическими по г граничными условиями и эмитирующим пояском.

Так же как и в двумерной ситуации, расчет продемонстрировал возбуждение колебаний объемного заряда "магнетронного" типа и развитие периодичности пс азимуту. Полученные зависимости частоты колебаний и числа азимутальных вариации объемного заряда от напряженности продольного магнитного поля качественно согласуются с аналитическими выражениями, полученными для двумерногс магнетронного диода.

Расчет показал, что колебания объемного заряда "втулки" вызывают осцилляции плотности тока формируемого электронного пучка и азимутальную неоднородности последнего. Таким образом, формируемый пучок обладает многозаходной винтово1' модуляцией по плотности заряда. Глубина модуляции составляет до 10%. Спектрь колебаний тока в малых сечениях пучка содержат интенсивный хаотический фон проявляющийся в виде нерегулярных колебаний с характерными временами 1 единицы наносекунд, подобных зарегистрированным в эксперименте.

Таким образом, проведенное моделирование позволяет утверждать, чт< нестационарные процессы в прикатодном объемном заряде являются одной и: весомых причин микроскопической нестабильности тока сильноточного РЭП формируемого в КДМИ с кромочным катодом.

В третья и четвертой главах диссертации затрагиваются вопросы, связанные с применением сильноточных РЭП в релятивистской высокочастотной электронике.

Третья глава посвящена нестационарному численному моделированию генерации электромагнитного излучения в релятивистской черенковской ЛОВ - СВЧ-генераторе, реализуемом на основе сильноточных импульсных РЭП. Нестационарное моделирование представляет интерес по причине малой длительности пучков, как правило, сравнимой с временем установления генерации ЛОВ, а также возможности нестационарных режимов генерации.

Полномасштабное моделирование ЛОВ осуществлялось с помощью 2.5-мерной осесимметричной версии полностью электромагнитного кода KARAT, а для решения модельных задач, с целью выяснения роли отдельных физических факторов, были созданы более простые одномерные программы (3.1). В них для описания поля электромагнитной волны использовано нестационарное уравнение возбуждения волновода в конечно-разносгной форме (п. 3.1.1), а динамика электронного пучка описывается методом макрочастиц. Учитывается ограниченное число пространственных гармоник волн (как минимум, (-1) гармоника встречной волны). Электронный пучок считается трубчатым с бесконечно малой толщиной стенки. Поперечным движением электронов в пучке пренебрегается, что соответствует случаю бесконечного продольного магнитного поля. Смещение рабочей точки вдоль дисперсионной кривой в процессе установления генерации не учитывается. Для учета поля собственного объемного заряда использовано потенциальное приближение (п. 3.1.3), реализуемое на основе метода фурье-преобразований или аппарата функций Грина.

Обозначены возможности развития модели, в том числе ее адаптации для расчетов микроволновых приборов других классов (п. 3.1.4).

В п. 3.2. описывается постановка условий и даются методические рекомендации для проведения полномасштабного численного эксперимента с релятивистской ЛОВ на основе полностью электромагнитного кода KARAT. В п. 3.2.2 дано описание конфигурации ЛОВ, взятой за основу при численном моделировании (однородная ЛОВ 3-см диапазона с рабочей волной Eqj и характерной мощностью около 400 МВт при эффективности 25%). В п. 3.2.3 описываются специальные свойства численной модели. Так, для согласования генерируемого излучения на выходе из прибора вводилась поглощающая среда. Для подавления развития высокочастотной сеточной неустойчивости Элиас - Черенкова использовалась цифровая фильтрация плотностей заряда и тока и электромагнитных полей в сетке. Она же применялась для подавления неустойчивости граничных условий на открытой границе коаксиала при моделировании ЛОВ в совокупности с коаксиальным электронным диодом.

В 3.3 излагаются результаты исследования эффектов собственного объемного заряда сильноточного РЭП в релятивистской ЛОВ. Прослежена зависимость

характеристик генерации ЛОВ от величины тока инжектируемого в лампу РЭП. Расчет с помощью одномерной (без учета влияния объемного заряда) и 2.5-мерной моделе продемонстрировали смену типов генерации с ростом тока (стационарный, регулярнь автомодуляционный, хаотический режимы). Отличие результата 2.5-мерной моде; заключается в наличии выраженного максимума в зависимости генерируемой мощност от тока инжекции. Далее показано, что это является следствием влияния пол< объемного заряда.

В п. 3.2.2 приведены общие соображения, касающиеся процесса установлен! генерации в ЛОВ, с точки зрения развития нелинейности в системе. В электроннь СВЧ-устройствах нелинейность, как известно, связана с процессом инерционнс группировки электронного потока.

В п. 3.3.3 инерционная группировки электронного пучка исследована на осно! одномерной Р1С-модели. Показано, что умеренное влияние сил объемного заряда пуч! приводит к удлинению зоны с высокой амплитудой высокочастотного тока, однако границей этой зоны амплитуда падает до меньших значений, чем при отсутствии а объемного заряда. Также происходит некоторое "выглаживание" фазы ВЧ тока, дальнейшем показывается (п. 3.3.4), что эти два эффекта в основном и объясняв зависимость эффективности генерации ЛОВ от параметра объемного заряда. Друг* общим свойством влияния объемного заряда яляется коротковолновое разрушен] электронных сгустков, приводящее к появлению аномально сильно заторможенных ускоренных электронов. Энергия ускоренных частиц может в несколько раз превыша энергию инжекции. Появление сильно заторможенных частиц ("медленного" сяо приводит в ЛОВ к возникновению обратного электронного тока.

В п. 3.3.4 даны результаты исследовния зависимости эффективности генеращ ЛОВ от величины объемного заряда в одномерной модели. Степень влияния объемно заряда варьировалась искусственно. Статическое провисание потенциала пучка д простоты не учитывалось. Выяснено, что зависимость эффективности от парамет объемного заряда содержит максимум, причем величина эффективности в максиму1 растет с увеличением тока пучка. Вместе с тем, справа от максимума эффективное падает тем более резко и сильно, чем выше ток. Причины такого поведет эффективности заключаются в изменениях удельного энергоотбора по длине прибор Они, в свою очередь, вызваны изменениями продольных распределений амплитуды Е тока пучка и его фазы относительно электромагнитной волны. Фазировка ВЧ то монотонно улучшается с ростом коэффициента объемного заряда, в то время к амплитуда тока имеет выраженный максимум с последующим резким спадом. Так поведение ВЧ тока вообще характерно при инерционной группировке электронно пучка.

Показано, что влияние объемного заряда сильно сказывается на характере энергетического распределения электронного пучка на выходе ЛОВ.

Появление "медленного" электронного слоя при группировке пучка в ЛОВ приводит к возникновению обратного электронного тока. В п. 3.3.5 даны зависимости величины обратного тока от тока инжекции (в одномерной и 2.5-мерной моделях), а также от напряженности ведущего магнитного поля (2.5-мерная модель). Развитие обратного тока с ростом тока инжекции происходит скачкообразно, затем он плавно падает. Магнитное поле также сильно влияет на динамику обратного тока. Показано, что в данной геометрии ЛОВ величина обратного тока может достигать 10% от тока инжекции, а энергия обратных электронов - энергии инжекции. Их поперечные скорости также велики. При расчете ЛОВ в совокупности, с КДМИ продемонстрировано влияние обратного тока на работу диода, проявляющееся в увеличении его импеданса.

В п. 3.4 исследовано влияние ведущего магнитного поля на работу ЛОВ на основе 2.5-мерной модели. Найдены зависимости мощности и частоты генерации от напряженности магнитного поля. Подтверждено явление циклотронного поглощения рабочей волны. Продемонстрировано разнообразие режимов генерации ЛОВ при различных магнитных полях. Отмечена сильная накачка поперечной скорости электронов пучка не только слева от циклотронного резонанса, но и при относительно высоких магнитных полях, приводящая к значительным потерям тока на стенках электродинамической системы. Это явление приводит к серьезному ограничению мощности генерации ЛОВ (п. 3.4.1).

В п. 3.4.2 показано, что частота генерации как функция магнитного поля терпит разрыв в циклотронном "провале". Здесь в спектре излучения появляются более высокие частоты. Для данной конфигурации ЛОВ показано, что при инжекции в лампу уже сформированного РЭП излучение в циклотронном "провале" носит шумовой характер. В то же время, при моделировании ЛОВ с КДМИ на дне циклотронного "провала" возбуждается генерация волны Е^ значительной мощности (до 200 МВТ) и на высокой частоте (около 17 ГГц), возможно, в рамках черенковского синхронизма пучка с (-2) пространственной гармоникой встречной волны. Генерация облетается проникновением обратной волны в объем КДМИ, вызывающим модуляцию формируемого РЭП.

Кратко обсуждаются результаты первых попыток трехмерного Р1С-моделирования релятивистской ЛОВ.

В четвертой главе даны результаты теоретического исследования динамики сильноточного РЭП в поле осесимметричного магнитного ондулятора в присутствие квазиоднородного продольного магнитного поля. Ондулятор применяется для создания

пространственно - периодического магнитного поля в убитроне - источник электромагнитного излучения, действие которого основано на явлении вынужденног рассеяния статической магнитной (реже электрической) волны на потоке заряженны частиц.

Динамика пучка исследуется с точки зрения его транспортировки комбинированном поле. Рассматриваются стационарные траекторные характеристики, основном с использованием параксиального приближения по ондуляторному полк Вопросы об электромагнитном излучении пучка не затрагиваются.

В 4.1 рассматриваются усредненные равновесные характеристики сильноточног РЭП в комбинированном поле.

В п. 4.1.1 получено выражение, связывающее равновесный радиус гранично! электрона с током пучка, текущими параметрами полей и условиями при инжекции. п. 4.1.2 без уточнения конкретного вида продольной зависимости полей на перио; ондулятора выводится уравнение малых колебаний электронной траектории окол равновесного радиуса. Полученное уравнение является неоднородным уравнение Хилла. Оцениваются максимальные продольные градиенты амплитуд поле) приемлемые в рамках модели. В п. 4.1.3 аналитически и в численном расчет продемонстрировано, что транспортируемый в однородном магнитном поле РЭП пр вхождении в область, где присутствует также и поле ондулятора, начинает испытыват дополнительный азимутальный дрейф. Направление дрейфа совпадает с направление вращения электронов пучка в однородном поле относительно центра циклотроннс орбиты. В п. 4.1.4 показано, что радиальная неоднородность ондуляторного по; приводит к дополнительной фокусировке транспортируемого электронного пучка.

В п. 4.2 исследуются процессы параметрической раскачки маль пространственных колебаний электронных траекторий в комбинированном поле, случае синусоидального ондулятора они описываются сложным неоднородны уравнением Матье. Параметрические резонансы возможны при определеннь значениях эффективной циклотронной частоты электрона-осциллятора. Показано ( 4.2.1), что в случае чисто ондуляторного поля параметрическая раскачка колебат происходит на гармониках баунс-частоты, а в случае преобладания однородного поля на частотах, кратных половине баунс-частоты. В обоих случаях возможны и обычнь циклотронные резонансы, соответственно, на удвоенной и простой баунс-частот Оценки инкрементов параметрических колебаний для первой зоны неустойчивосг даны в п. 4.2.3. Процесс раскачки параметрических колебаний на половине баун частоты иллюстрируется численным расчетом.

В 4.3 освещается вопрос о возможности транспортировки сильноточного РЭ чисто ондуляторным полем. Первым условием этого выступает конечность величин усредненного равновесного радиуса граничного электрона. Для однородного по.

подобное условие являлось бы единственным. Однако для ондуляторного, периодического поля существует дополнительное ограничение сверху на амплитуду поля, при нарушении которого электроны пучка будут захватываться на квазизамкнутые траектории в окрестности токовых витков ондулятора. Это условие совпадает с условием малости периода ондулятора по сравнению с циклотронным шагом частиц.

Возможность транспортировки сильноточного РЭП полем ондулятора иллюстрируется в численном расчете.

В Заключепнн обобщены результаты работы.

В Приложении 1 приведены некоторые экспериментальные результаты, касающиеся особенностей работы КДМИ с катодом из нержавеющей стали и из графита с металлическим напылением.

В Приложение 2 вынесено решение задачи об установлении стационарного нерелятивистского электронного потока в безграничном плоском диоде при быстрой подаче напряжения в режиме полного объемного заряда. Проведенное теоретическое рассмотрение, подкрепленное численным моделированием, демонстрирует колебательный характер релаксационного процесса.

В Приложении 3 описан численный алгоритм решения уравнения Пуассона в цилиндрической системе координат, использованный при моделировании процессов в коаксиальных диодах.

ПОЛОЖЕНИЯ , ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

1. В коаксиальном магнитноизолированном диоде (МИД) со взрывоэмиссионным кромочным катодом, в случае малой напряженности магнитного поля, постепенное распространение эмиссии на внешнюю цилиндрическую поверхность катода в течение импульса приводит к медленным в масштабе циклотронных осцилляций изменениям радиального распределения плотности тока формируемого сильноточного релятивистского электронного пучка (РЭП) наносекундной длительности, а также полной величины его тока.

2. Автоколебания объемного заряда в скрещенных полях в прикатодной области, сопровождающиеся периодической электростатической экранировкой участков эмиссионной поверхности, приводят к осцилляциям плотности тока в сильноточном РЭП, формируемом в коаксиальном МИД с кромочным катодом.

3. Обратный электронный ток, возникающий в релятивистской ЛОВ в результате влияния собственного объемного заряда сильноточного РЭП, вызывает увеличение импеданса коаксиального магнитноизолированного диода, являющегося источником электронного пучка.

4. Напряженность поля осесимметричного магнитного ондулятора, необходимая для транспортировки электронного пучка, ограничена снизу требованием конечности величины усредненного равновесного радиуса граничного электрона, а также сверху -условием существенного превышения величины его циклотронного шага над периодом ондулятора. При транспортировке электронного пучка в комбинированном -ондуляторном и однородном - магнитостатическом поле, при относительно малой напряженности овдуляторной компоненты, возможна параметрическая раскачке пространственных колебаний электронных траекторий на частоте, равной половине баунс-частоты.

РАБОТЫ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Беломытцев С.Я., Коровин С.Д., Легель И.В. Равновесные характеристик сильноточного релятивистского электронного пучка в однородном пространственно-периодическом магнитостатических полях // VII Всес. симпозиу по сильноточной электронике. Тезисы докладов, ч. 2. - Томск, 1988, с. 25-26.

2. Беломытцев С.Я., Коровин С.Д., Пегель И.В. Равновесные характеристик сильноточного релятивистского электронного пучка в квазиоднородном пространственно-периодическом магнитостатических полях // Известия вузо] Физика, 1989, № 11, с. 106-108.

3. Коровин С.Д., Легель И.В. О структуре сильноточного релятивистского электронног пучка в коаксиальном магнитоизолированном диоде с кромочным катодом // VI! Всес. симпозиум по сильноточной электронике. Тезисы докладов, ч. 1. - Свердлове] ИЭФ УрО АН СССР, 1990, с. 179-180.

4. Коровин СД, Пегель И.В. Численное моделирование сильноточного электронног пучка в коаксиальном магнитоизолированном диоде // Всес. симпозиум л сильноточной электронике. Тезисы докладов. - Свердловск: ИЭФ УрО АН ССС1 1992, с. 110-111.

5. Коровин С.Д., Пегель И.В. Структура сильноточного релятивистского электронно1 пучка, формируемого в коаксиальном магнитноизолированном диоде с кромочны катодом // ЖТФ, 1992, т. 62, вып. 4, с. 139-145.

6. Коровин С.Д., Пегель И.В. Численное моделирование формирования сильноточнь электронных потоков в коаксиальных диодах с магнитной изоляцией. Препринт Is 8 Томского научного центра СО РАН. - Томск, 1993, 28 с.

7. Korovin S.D., Pegel I.К, Polevin S.D., Roitman A.M., Rostov V.K Efficiency Increase i Relativistic BWO // 9-th IEEE Pulsed Power Conf. - Albuquerque, 1993, pp. 392-395.

8. Коровин СД., Пегель И.В. Численный расчет формирования сильноточнь электронных потоков в коаксиальных магнитно-изолированных диодах // ЖТС 1994, т. 64, вып. 3, с. 140-156.

>. Korovin S.D., Polevin S.D., Pegel I.V., Rostov V.V., Roytman A.M., Bratman V.L., Denisov G.G., Smo/gonsky A.V. High power microwave Cherenkov oscillators with high current relativistic electron beams // Proc. XVI Int. SPIE Symp. on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum. 1994, vol. 2259, p. 506-511.

10. Pegel / V., Korovin S.D. Numerical Experiment on Relativistic Cherenkov Backward Wave Oscillator // Abstracts 1994 IEEE Int. Conf. on Plasma Science ICOPS'94. -Santa Fe, p.

11.Korovin S.D. and Pegel I.V. The Dynamics of Generation of High Current Relativistic Electron Beams in Coaxial Magnetically-Insulated Vacuum Diodes I I Proc. 10th Int. Conf. on High Power Particle Beams (Beams-94). - San Diego, 1994, pp. 100-103.

176.