Длительность генерации сверхширокополосного СВЧ излучения плазменным релятивистским СВЧ-генератором тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.03, кандидат наук Андреев Сергей Евгеньевич

• Андреев Сергей Евгеньевич
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Андреев Сергей Евгеньевич

ВВЕДЕНИЕ

1. ПЛАЗМЕННЫЕ РЕЛЯТИВИСТСКИЕ ИСТОЧНИКИ СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ

1.1 Черенковское взаимодействие медленных плазменных волн с релятивистским электронным пучком

1.2 Взаимодействие медленных плазменных волн с релятивистским электронным пучком в плазменном релятивистском СВЧ-генераторе

1.3 Схема проведения эксперимента по генерации СВЧ- излучения

1.4 Влияние выходного конвертера мод на спектр выходного излучения

2. МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ И АНАЛИЗА ЕГО ВЫХОДНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И ЧИСЛЕННАЯ МОДЕЛЬ ПЛАЗМЕННОГО РЕЛЯТИВИСТСКОГО СВЧ-ГЕНЕРАТОРА

2.1 Сбор данных о выходном излучении плазменного релятивистского СВЧ-генератора

2.2 Сверхширокополосная антенна для регистрации выходного СВЧ_излучения

2.3 Методы обработки экспериментальных данных

2.4 Программа обработки экспериментальных данных

2.5 Численная модель плазменного релятивистского СВЧ-генератора в программном коде «КАРАТ»

3. ИЗМЕНЕНИЕ РЕЖИМА ГЕНЕРАЦИИ В ПЛАЗМЕННОМ РЕЛЯТИВИСТСКОМ СВЧ-ГЕНЕРАТОРЕ

3.1 Изменение сверхширокополосного режима генерации в ПРГ

3.2 Влияние длины плазменно-пучкового взаимодействия на длительность сверхширокополосной генерации

4. ИЗЛУЧЕНИЕ ПЛАЗМЕННОГО РЕЛЯТИВИСТСКОГО СВЧ-ГЕНЕРАТОРА В ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКОМ РЕЖИМЕ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

ПРИЛОЖЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Длительность генерации сверхширокополосного СВЧ излучения плазменным релятивистским СВЧ-генератором»

Актуальность темы

В последнее время большое внимание уделяется разработке и созданию мощных СВЧ-генераторов с широким диапазоном частот излучения. Одно из решений данной задачи - использование плазменных релятивистских источников СВЧ-излучения. В отличии от вакуумных релятивистских источников СВЧ-излучения, в которых диапазон перестройки частоты не превышает 9% и осуществляется, как правило, механическим изменением геометрии соответствующего волновода, в плазменных релятивистских СВЧ генераторах электронное управление свойствами плазмы позволяет произвольно менять частоту и ширину спектра СВЧ-излучения от импульса к импульсу в более широких пределах.

В 1982 году в ИОФ РАН был построен первый плазменный релятивистский СВЧ- генератор (ПРГ). Данные пучково-плазменные источники на сильноточных релятивистских электронных пучках (РЭП) позволяют быстро и легко осуществлять перестройку частоты излучения, в чём имеют преимущество перед вакуумными источниками [1-6]. В частности удалось добиться перестройки частоты в 7 раз (от 4 до 28 ГГц) на уровне мощности около 50 МВт за промежуток времени 30 мкс благодаря изменению плотности плазмы [7-8]. В ходе работы ПРГ происходит изменение параметров его работы, которое ведет к изменению режима генерации СВЧ-излучения. Такие изменения ведут к нестабильной работе генератора и трудностям практического использования. С целью устранения данных недостатков необходимо проанализировать динамику параметров генерации в ПРГ во время его работы. Современные системы диагностики, находящиеся непосредственно в ПРГ, позволяют отследить изменение параметров РЭП. Однако отследить изменения плотности плазмы контактными методами не удается вследствие большой величины

напряженности СВЧ поля около пучково-плазменной неустойчивости и присутствия рядом РЭП. Поэтому используются косвенные методы, основанные на отслеживании изменения спектра выходного излучения ПРГ.

Актуальность исследования изменения параметров работы ПРГ связана с необходимостью поиска новых оптимальных решений ряда важных задач, стоящих в современной радиофизике:

1. Изменение режима работы ПРГ в течение генерации одного импульса СВЧ-излучения

2. Улучшение коэффициента стабильности частоты выходного излучения ПРГ.

3. Получение максимально возможной мощности выходного излучения ПРГ.

4. Расширение частотного диапазона, покрываемого сверширокополосным импульсом выходного излучения ПРГ.

Объектом исследования является плазменный релятивистский СВЧ-генератор (ПРГ).

Предметом исследования является выходное излучение плазменного релятивистского СВЧ-генератора.

Целью работы является увеличение стабильности генерации сверхширокополосного выходного излучения плазменного релятивистского СВЧ-генератора

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Был создан программный комплекс для анализа данных выходного излучения ПРГ. Разработан новый цифровой фильтр для обработки временных рядов выходного сигнала генератора.

2. При помощи метода конечных элементов спроектирован выходной сверхширокополосной преобразователь мод для ПРГ

4

3. Проведено несколько серий экспериментов с импульсно-периодическим плазменным релятивистским СВЧ-генератором (ПРГ

о

Sinus 550-80) с уровнем мощности 10 Вт и возможностью электронной перестройки частоты излучения от импульса к импульсу в пределах октавы произвольно по любому заранее заданному закону.

4. Для анализа причин изменений режима генерации ПРГ с помощью численной PIC-модели ПРГ было исследовано влияние изменения характеристик плазмы на излучаемого сигнала.

Научная новизна.

1. С помощью метода конечных элементов спроектирован выходной сверхширокополосной преобразователь мод плазменного релятивистского СВЧ-генератора увеличивающий его рабочий диапазон частот (4 ... 20 ГГц).

2. Создан программный комплекс для анализа данных выходного излучения ПРГ, включающий в себя новый цифровой фильтр для обработки временных рядов выходного сигнала генератора, основанный на базе вейвлета Шеннона.

3. Впервые продемонстрировано изменение режима работы генератора в ходе излучения одного импульса релятивистского электронного пучка (РЭП) (изменение мощности, сужение частотной полосы генерации). При смене режимов происходит переход от широкополосного спектра к узкополосному, а также сдвиг центральной частоты всего спектра СВЧ- излучения в более низкочастотную область, что объясняется уменьшением погонной концентрации плазмы и образованием ионного фона.

4. Впервые продемонстрировано влияние длины плазменно-пучкового

взаимодействия (длины системы) на изменение режима работы

генератора в ходе излучения одного импульса РЭП. В результате

численного и физического экспериментов было показано, что с

5

увеличением длины плазменно-пучкового взаимодействия (длины системы), несмотря на наличие ионного фона и погонной плотности плазмы, длительность эффективной сверхширокополосной генерации СВЧ-импульса приближается к длительности импульса РЭП, т.е. не происходит срыва или изменения режима генерации в течении импульса. Для плазменного релятивистского генератора, собранного на базе ускорителя Sinus 550-80, была рассчитана длина системы, при которой не происходит смена режима генерации и сохраняется сверхширокополосный режим генерации. Теоретическая значимость состоит в развитии теории проектирования плазменных релятивистских СВЧ-генераторов для расширения их частотного рабочего диапазона и обеспечения стабильной работы в сверхширокополосном режиме. Практическая значимость

- Увеличен рабочий диапазон частот (4 ... 16 ГГц) плазменного релятивистского СВЧ-генератора, собранного на базе ускорителя Sinus 550-80.

- Для плазменного релятивистского СВЧ-генератора, собранного на базе ускорителя Sinus 550-80, была рассчитана оптимальная длина системы, при которой не происходит смена режима генерации и сохраняется сверхширокополосный режим генерации.

- Подобраны задержки запуска РЭП, при которых происходит генерация СВЧ-излучения с устойчивой центральной частотой полосы в частотно-периодическом режиме работы ПРГ.

Соответствие паспорту научной специальности

Основная часть диссертационного исследования соответствует паспорту специальности 01.04.03 - «Радиофизика», а именно пунктам:

п. 1. «Разработка физических основ генерации, усиления и преобразования колебаний и волн различной природы (электромагнитных, акустических, плазменных, механических), а также автоволн в неравновесных химических и биологических системах. Поиски путей создания высокоэффективных источников когерентного излучения миллиметрового, субмиллиметрового и оптического диапазонов, техническое освоение новых диапазонов частот и мощностей».

- п. 3 «Разработка, исследование и создание новых электродинамических систем и устройств формирования и передачи радиосигналов: резонаторов, волноводов, фильтров и антенных систем в радио, оптическом и ИК - диапазоне»,

частично в исследовании затрагиваются вопросы, связанные с

- п. 4. «Исследование флуктуаций, шумов, случайных процессов и полей в сосредоточенных и распределенных стохастических системах (статистическая радиофизика). Создание новых методов анализа и статистической обработки сигналов в условиях помех.

Степень достоверности изложенных в работе результатов исследования обусловлена применением корректных методов исследования с использованием современных технических средств и технологий, адекватного компьютерного моделирования, а также непротиворечивостью теоретических и экспериментальных выводов.

Положения, выносимые на защиту:

- Увеличен рабочий диапазон ПРГ за счет нового выходного конвертера мод плазменного релятивистского СВЧ-генератора от 4 до 20 ГГц.

- Создан новый цифровой фильтр на основе вейвлета Шеннона, который позволяет выделить стабильные узкополосные составляющих в спектре выходного СВЧ-излучения ПРГ.

- Обнаружена смена режима генерации сверхширокополосного СВЧ-излучения ПРГ на узкополосное в течении импульса релятивистского электронного пучка, мешающий сверхширокополосной генерации (ширина спектра изменяется с 2,5 ГГц до 40 МГц). Смена режимов происходит из-за уменьшения погонной концентрации квазинейтральной плазмы и образования ионного фона в системе ПРГ.

- Впервые установлено, что при длине плазменно-пучкового взаимодействия более 50 см сохраняется устойчивый сверхширокополосный режим генерации с шириной спектра 3 ГГц.

- Впервые показано, что именно изменение задержки запуска РЭП по логарифмическому закону обеспечивает постоянство центральной частоты выходного СВЧ-излучения ПРГ при работе в частотно-периодическом режиме.

Апробация результатов работы. Основные результаты работы были доложены и обсуждены на международных и всероссийских научно-технических конференциях, а также научных семинарах ИОФРАН и РТУ МИРЭА.

По теме диссертации опубликовано 20 работ [12-32], в том числе 3 входят в международные базы Web of Science и SCOPUS, 4 опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК и 13 тезисов конференций.

❖ 40 - 43 Международные (Звенигородские) конференции по физике плазмы и УТС, г. Звенигород, 2013-2016 г. Звенигород.

❖ Школа молодых ученых «Перспективы развития радиотехнических и инфокоммуникационных систем» РАДИОИНФОКОМ-2015, 14-18 апреля 2015 г. Москва

❖ Вторая международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы и перспективы развития радиотехнических и

инфокоммуникационных систем» РАДИОИНФОКОМ-2015, 14-18 апреля 2015 г. Москва

❖ 26-я Международная крымская конференция "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии" (КРЫМИКО'2016). 4-10 сентября 2016.

❖ 27-я Международная крымская конференция "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии" (КРЫМИКО'2017). 10-16 сентября 2017. Севастополь.

❖ XVII международная зимняя школа-семинар по радиофизике и электронике сверхвысоких частот. 5-10 февраля 2018. Саратов.

Реализация и внедрение. Результаты диссертационного исследования внедрены в производство ряда организаций, от которых были получены акты внедрения.

1. Сверхширокополосный выходной конвертер мод плазменного релятивистского СВЧ-генератора (ИОФ РАН);

2. Программный комплекс для обработки данных о выходном СВЧ-излучении плазменного релятивистского СВЧ-генератора (ИОФ РАН);

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, списка литературы и приложения (акты использования результатов диссертации).

1. ПЛАЗМЕННЫЕ РЕЛЯТИВИСТСКИЕ ИСТОЧНИКИ СВЧ-

ИЗЛУЧЕНИЯ

В первой главе описаны экспериментальная установка, принципы, лежащие в основе ее работы, параметры и схема эксперимента, а также обзор литературы.

Важным предметом изучения плазменной релятивистской СВЧ -электроники является плазменный релятивистский СВЧ - генератор. Работа ПРГ основана на черенковском взаимодействии РЭП с плазменной волной, в результате РЭП передает энергию плазменной волне. Более подробно о работе и устройстве ПРГ будет рассказано далее.

1.1 Черенковское взаимодействие.

Так как ПРГ относится к плазменным черенковским СВЧ-приборам далее рассмотрим эффект Черенкова, на котором основана его работа. Эффект заключается в следующем. Пусть электромагнитная волна имеет компоненту Ez электрического поля вдоль направления распространения - z. При воздействии такой волны на покоящийся электрон, он окажется в переменном электрическом поле, и будет совершать колебательное движение вдоль оси z со скоростью :

eEz

v =-sin (1-1)

mw

Среднее по времени значение скорости равно нулю. Пусть теперь электрон движется вдоль оси z, со скоростью малой по сравнению с фазовой скоростью волны. Тогда опять на длине взаимодействия L >> X скорость электрона под действием поля не изменится.

Пусть теперь электрон движется из точки zx в точку z2 (z2 — zt = L) со скоростью равной фазовой скорости волны. На Рисунок показано распределение продольной компоненты поля Ez вдоль оси z в различные моменты времени t1f t2 и t3. Если электрон в момент времени t± попал в ускоряющую фазу (Рисунок 1), то он будет ускоряться и в моменты времени

и , до тех пор, пока за счет разности скоростей электрона и волны он не попадёт в другую фазу волны. Длина, на которой происходит ускорение, может значительно превышать длину волны, Ь >> X.

Рисунок 1. Распределение продольной компоненты поля Е2 вдоль оси z в различные моменты времени ^, и Взаимодействие с электроном.

Процесс ускорения заканчивается, когда электрон попадает в тормозящую фазу волны, за счет того, что его скорость стала больше фазовой скорости волны. Можно сделать так, чтобы фазовая скорость волны возрастала вдоль направления движения электрона (например, за счёт изменения поперечных размеров волновода), тогда процесс ускорения электрона может происходить долго.

Пусть на вход волновода длиной Ь поступает пучок электронов со скоростью равной фазовой скорости волны. Тогда электроны пучка, попавшие на входе волновода в ускоряющую фазу, будут ускоряться, а электроны в замедляющей фазе замедляться (Рисунок 2). В результате на некоторой длине взаимодействия все электроны соберутся в сгустки, которые будут двигаться в фазе волны, где электрическое поле равно нулю.

+

+

Ъ

г

г

+

+

Рисунок 2. Взаимодействие волны с электронами.

В результате энергия от пучка к волне передаваться не будет, работа поля над электронами равна нулю. Если же скорость электронов превышает фазовую скорость волны, то на некоторой длине сгустки электронов будут формироваться в фазе замедляющего поля. Некоторое время после образования сгустка все электроны пучка будут двигаться в тормозящей фазе и передавать свою энергию волне. Затем начнется обратный процесс передачи энергии от волны к пучку. Таким образом, если скорость пучка превышает фазовую скорость волны, и длина взаимодействия специально подобрана, то возможна передача энергии от пучка к волне. Это и есть эффект Черенкова, он происходит, если

где уь — скорость электрона, Уф — фазовая скорость плазменной волны [1] 1.2 Взаимодействие медленных плазменных волн с релятивистским электронным пучком в плазменном релятивистском СВЧ-генераторе.

В волноводах как просто вакуумных, так и плазменных наблюдается такое явление как дисперсия. Рассмотрим её подробнее. На рисунке 3 приведены кривые описывающие дисперсию волн плазменного волновода, помещенного в сильное магнитное поле, шв » шр.

уь > Уф, т. е. уь> — или ы < кгуь;

к2

Рисунок 3. Дисперсионные кривые в плазменном волноводе

Видно, что существуют как быстрые волны - кривые выше линии Т = к2с, так и медленные волны - кривые ниже линии Т = к2с. Сначала рассмотрим быстрые гармоники, у которых урь = ю / к2 > с. Нарисованы только низшие азимутально симметричные гармоники Е01и Н01. Существует множество других быстрых мод Е02> Е03, Н02, Н03 которые при к2 = 0 имеют всё большие значения критической частоты. При добавлении плазмы дисперсия быстрых Н мод не изменяется, поскольку они имеют только компоненты Ег и Бф, т.е. Е ± В. В бесконечно большом магнитном поле электроны плазмы не могут смещаться в поперечном направлении. Поэтому плазма не может изменить величину Ег и Бф.

Быстрые Е гармоники имеют компоненту Ег. Высокочастотное электрическое поле Ег будет смещать электроны плазмы, что приведет к изменению дисперсии волны. Качественно это изменение сводится к смещению вакуумной кривой вверх. При увеличении пр смещение возрастает.

Таким образом, быстрые волны вакуумного волновода остаются быстрыми волнами плазменного волновода (уф > с) и поэтому не могут возбуждаться электронным пучком, поскольку уь < с.

В плазменном волноводе появляется новое семейство кривых, которых не было в вакуумном волноводе - медленные плазменные волны , Е02 и т.д. На возбуждении этих волн и основаны плазменные черенковские СВЧ-приборы. Все медленные плазменные волны при больших кг, то есть при длинах волн гораздо меньших размеров плазмы, имеют частоту ю = юр, где юр -плазменная частота,

Jneл -

£пт

Как видно из формулы величина тр определяется только одним параметром - плотностью плазмы. Рассмотрим теперь взаимодействие медленных плазменных волн с электронным пучком (Рисунок 4).

Рисунок 4. Взаимодействие медленных плазменных волн с электронным

пучком.

Плазменные медленные гармоники Е01 и Е02 называем Е-гармониками

потому, что они имеют компоненту поля Ег, т.е. они могут ускорять или

* *

замедлять электроны пучка. Кроме того, в точке т , кг выполняется условие черенковского резонанса. Важно, что кривая Е02л располагается значительно ниже кривой Е0\. Это означает, что можно возбуждать только одну моду Е01. СВЧ-излучение возникает при плотности плазмы, превышающей пороговое значение. При малой плотности фазовая скорость медленной плазменной волны меньше скорости электронов для любого к2 и черенковское взаимодействие невозможно, пр1 < пр (Рисунок 5).

Рисунок 5. Дисперсия плазменного волновода, при различных плотностях

плазмы.

Если плотность плазмы превышает пороговое значение пр3 > п*р , то СВЧ-генератор может включиться. Для включения генератора необходимо выполнение условия к1к2е8кь > 1, также как и для вакуумного генератора, основанного на возбуждении волны, попутной с пучком, здесь к1 и к2 -коэффициенты отражения плазменной волны от торцов плазменного волновода. Параметры пучка и плазмы определяют величину коэффициента усиления - 5к. Если эти параметры заданы, то существует пороговая длина, при которой СВЧ-генератор включается. Процесс нарастания поля в плазме закончится, когда электроны пучка сильно затормозятся и выйдут из области черенковского резонанса.

Как следует из рисунка 5, увеличение плотности плазмы приводит к увеличению частоты излучения. Эта закономерность определяет основное преимущество плазменных черенковских приборов перед вакуумными: В плазменных приборах существует возможность управления частотой излучения за счет изменения плотности плазмы, без изменения параметров электронного пучка. Ясно, что увеличивать плотность плазмы можно только до тех пор, пока кривая гармоники Е02 не начнет пересекать прямую ю = к2и. При одновременном возбуждении мод Е01 и Е02л уменьшается к.п.д. прибора..

Еще одна важная особенность возбуждения плазменных мод заключается в том, что кривые плазменных мод и линия ю = к2и пересекаются под малым углом. Это означает, что резонансные условия ю « к2и выполняются в

широкой области частот. Поэтому без изменения плотности плазмы усиление

*

волны происходит не только на частоте ю , но и в широкой полосе частот. Экспериментально показано, что полоса пропускания плазменного усилителя может достигать 40%. [1]

1.3 Схема проведения эксперимента по генерации СВЧ- излучения.

Конструкция и принцип работы плазменного релятивистского генератора (ПРГ) были описаны ранее. Схема ПРГ показана на рисунке 6.

Рисунок 6 Схема ПРГ Схема импульсно-периодического плазменного релятивистского СВЧ-генератора. Основные блоки: диод (I), плазменный источник (II), область взаимодействия (III), выходное устройство^У), турбомолекулярный насос (У). 1 - катод РЭП; 2 - вакуумная труба; 3 -трубчатый РЭП; 4 - анод; 5 - трубчатая плазма; 6 - кольцевой термокатод; 7 - диафрагма; 8 - соленоид; 9 - коллектор; 10 - рупор; 11 - окно; 12 - питание соленоида; 13 - блок управления плазменным источником; 14 - датчик

давления.

Эксперимент происходит следующим образом. Для генерации СВЧ-излучения в ПРГ необходимо создать трубчатую плазму 5 и трубчатый РЭП 3. Сначала создается трубчатая плазма. для этого на вольфрамовый термоэмиссионый катод 6 подается ток накала, который разогревает его с целью создать подходящие условия для эмиссии нужного количества электронов. Далее с помощью соленоида 8 создается магнитное поле с величиной индукции равной 1 Тл. Когда магнитная индукция достигает

необходимого значения, на термоэмиссионный катод 6 подается импульс напряжения, создающий между катодом 6 и заземленной частью генератора напряжение -600 В. Электроны начинают эмитироваться с катода 6 и, удерживаемые магнитным полем, устремляются к коллектору 9, ионизируя на своем пути нейтральные атомы газа (в качестве газа используется либо остатки воздуха после откачки либо ксенон). Плотность создаваемой плазмы зависит от концентрации газа, находившегося в корпусе генератора, от плотности эмитируемого катодом 6 потоком электронов и от времени, поскольку плазма создается постепенно. Когда плотность плазмы достигает желаемого значения, на взрывоэмиссионный катод 1 подается импульс напряжения, длительностью 80 нс, создающий между катодом 1 и заземленной частью генератора разность потенциалов -0,5 МВ. Происходит процесс взрывной эмиссии и эмитированные в пространство электроны, удерживаемые магнитным полем, двигаются к коллектору 9. Далее происходит черенковское взаимодействие между РЭП 3 и медленной волной плазменного волновода, созданной трубчатой плазмой 5, и начинается генерация СВЧ-излучения. Данное излучение через рупор 11 выводится в открытое пространство. [4]

После выключения РЭП выключается также катод 6, в плазме происходит процесс рекомбинации, вследствие чего ее плотность падает до нуля. Для частотно- периодического режима через 20 мс процесс повторяется снова, за исключением включения магнитного поля, для данного режима оно остается включенным на протяжении всего эксперимента. ПРГ характеризуется параметрами представленными в таблице 1

Таблица 1. Параметры ПРГ во время эксперимента

Параметр ПРГ Значение параметра

Мощность излучения ~50 МВт

Напряжение РЭП ~0,5 МВ

Плотность плазмы 1012 ... 1014

Величина индукции магнитного поля ~1 Тл

Длина взаимодействия 29 см

Длительность импульса СВЧ 40... 70 нс

Длительность импульса РЭП 80 нс

Частота излучения 2.12,5 ГГц

1.4 Влияние выходного конвертера мод на спектр выходного излучения.

1.4.1 Моделирование используемого конвертера мод.

Для целей сравнения используемого преобразователя и предлагаемого сначала было произведено численное моделирование используемого сверхширокополосного выходного преобразователя мод. Данный преобразователь имеет довольно простое конструкционное исполнение и представляет из себя плавный переход из коаксиального волновода в круглый. Переход осуществляется посредством плавного соединения внутреннего проводника коаксиального волновода, идущего из рабочей области генератора, с внешним проводником. Данное соединение осуществляется под углом 15 градусов между трубкой внутреннего проводника и стенкой внешнего проводника, как показано на рисунке 7. Далее стенка внешнего проводника коаксиального проводника используется уже в качестве стенки круглого волновода. Внутренняя часть трубки внутреннего проводника используется для различных утилитарных целей, таких как размещение проводов, необходимых для работы коллектора релятивистского электронного пучка (РЭП), или (в последнее время) проводов для питания катода плазменного источника. В начале этого внутреннего проводника может располагаться как коллектор РЭП или плазменный источник с системой юстировки данных узлов. Параметры моделирования указаны в таблице 2.

Таблица 2. Параметры моделирования используемого преобразователя

типов волн

Максимальное 10 Шаг частотной сетки 10 МГц

Отклонение s- 0.05 Начальная частота 1.5 ГГц

Количество 6/25 Конечная частота 20 ГГц

Количество тетраэдров 1051 Тип перестройки частоты Интерпол

Рисунок 7. Внешний вид используемого выходного преобразователя

(CST Studio Suite 2015)

Результаты моделирования представлены в разделе 4 данного доклада.

1.4.2 Моделирование предлагаемого выходного широкополосного

преобразователя типов волн

Для расширения рабочего диапазона данный преобразователь был усложнен. Основная концепция преобразования моды ТЕМ01 коаксиального волновода в Н11 круглого волновода осталась прежняя -коаксиальный волновод плавно переходит в круглый, посредством соединения внутреннего проводника с внешним. Однако теперь внутренний проводник цилиндрической формы меняет ее на форму половины цилиндра со сглаженными краями, как показано на рисунке 3. Данное решение позволяет преобразовать симметричную моду ТЕМ01 коаксиального волновода в несимметричную, что несколько уменьшает

отражение от соединения внутреннего и внешнего проводника. Далее этот внутренний проводник соединяется с внешним проводником под углом 10 градусов, в отличие от предыдущего, где использовался угол в 15 градусов. Также для уменьшения отражения и увеличения коэффициента преобразования между внутренним и внешним проводником вводится подпорка, являющейся цилиндром, как показано на рисунке 3. Параметры моделирования указаны в таблице 3.

Таблица 3. Параметры моделирования предлагаемого преобразователя типов

волн

Максимальное 10 Шаг частотной 10 МГц

Отклонение s- 0.05 Начальная 1.5 ГГц

Количество 6/25 Конечная частота 20 ГГц

Количество 15478 Тип перестройки Интерп

Рисунок 8. Внешний вид предлагаемого выходного преобразователя

(CST Studio Suite 2015)

1.4.3 Результаты моделирования.

В результате моделирования получились амплитудно-частотные характеристики (АЧХ), показанные на рисунке 9. Для используемого

преобразователя области от 2 до 6 ГГц АЧХ гладкая и, как видно из рисунка 10, в данном диапазоне преобразователь осуществляет преобразование основной волны коаксиального волновода в моду Нц круглого. Однако в области выше 10 ГГц на выходе преобразователя образуется слишком много мод высших порядков, что затрудняет вывод СВЧ-излучения в открытое пространство. Резкие колебания полученной АЧХ связаны с несовершенством алгоритма численного моделирования и ограниченным объемом оперативной памяти.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Андреев Сергей Евгеньевич, 2021 год

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. P.S.Strelkov, D.K.Ulyanov // IV Int.Workshop. "Strong microwave in plasmas", 2 9 august,1999, N. Novgorod, p.858-864.

2. П.С.Стрелков, Д.К.Ульянов. // Физика плазмы, 2000, №4. с.329-333.

3. Bogdankevich I., Ivanov I., Loza O., Strelkov P., Ulyanov D., and Garate E. A high power (50MW), broadband (50%) plasma-aided microwave amplifier // Proc. 28th Int. Conf. on Phenomena in Ionized Gases (ICPIG'2007), Prague, Czech Republic, July 15-20. 2007. p.1194-1197.

4. Богданкевич И. Л., Иванов И. Е., Лоза О. Т., Рухадзе А.А., Стрелков П.С., Тараканов В.П., Ульянов Д.К. Тонкая структура спектров излучения плазменного релятивистского СВЧ-генератора// Физика плазмы. 2002. Т. 28. № 8. С. 748-757.

5. Ульянов Д. К. Спектры плазменного релятивистского СВЧ-генератора // Дисс. ... канд. физ.-мат. наук. - М.: ИОФ РАН, 2000..

6. Кузелев М.В., Рухадзе А.А., Стрелков П.С. Плазменная релятивистская СВЧ-электроника: Учеб пособие для ВУЗов Под ред. А.А. Рухадзе. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002.

7. М.В.Кузелев, О.Т.Лоза, А.А.Рухадзе, П.С. Стрелков, Шкварунец А.Г. Плазменная релятивистская СВЧ-электроника.// Физика плазмы, 2001, т.27, №8, с.716-733.

8. Богданкевич И.Л., Лоза О.Т., Павлов Д.А. О стабильности частоты излучения плазменных релятивистских СВЧ-генераторов, Письма в "Журнал технической физики",2007, т. 33, № 15.

9. Ульянов Д.К., Лоза О.Т., Баранов Р.В., Андреев С.Е. Управление спектром плазменного СВЧ-генератора в частотно-периодическом режиме.// XL Международная (звенигородская) конференция по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу. Сборник трудов. 2013.

10.Ульянов Д.К., Андреев С.Е. Обработка временных рядов СВЧ-сигналов, полученных на плазменном релятивистском СВЧ-генераторе.// XL

Международная (звенигородская) конференция по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу. Сборник трудов. 2013.

11. Ульянов Д.К., Андреев С.Е. Получение спектров СВЧ-излучения плазменного релятивистского СВЧ-генератора с высоким разрешением.// ХЫ Международная (звенигородская) конференция по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу. Сборник трудов. 2014.

12.Ульянов Д.К., Лоза О.Т., Андреев С.Е. Особенности спектров СВЧ-излучения плазменного релятивистского СВЧ-генератора. // ХЫ Международная (звенигородская) конференция по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу. Сборник трудов. 2014.

13.Андреев С.Е., Ульянов Д.К. Метод управления спектром плазменного релятивистского свч-генератора в частотно-периодическом режиме.// Прикладная физика. 2014. № 4. С. 26-29.

14.Андреев С.Е., Богданкевич И.Л., Ернылева С.Е., Иванов И.Е., Стрелков П.С., Ульянов Д.К. Источники мощного СВЧ-излучения с электронной перестройкой частоты в широком диапазоне частот.//ХЫ1 Международная (звенигородская) конференция по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу. Сборник трудов. 2015. С. 365

15.Ульянов Д.К., Андреев С.Е. Моделирование широкополосных вибраторных антенн для регистрации СВЧ-излучения плазменного релятивистского СВЧ-генератора. // Тезисы ХЫП Международной звенигородской конференции по физике плазмы и УТС, Москва, февраль 2015 г, С. 356 (тезисы доклада).

16.Андреев С.Е., Крымов Р.Р. Модернизация выходного преобразователя плазменного релятивистского СВЧ-источника.// Школа молодых ученых «Перспективы развития радиотехнических и инфокоммуникационных систем» РАДИ0ИНФ0К0М-2015, 14-18 апреля 2015 г., сборник трудов. с. 191-196

17.Андреев С.Е., Ульянов Д.К. Исследование спектров релятивистского СВЧ-генератора в частотном режиме.// Школа молодых ученых

89

«Перспективы развития радиотехнических и инфокоммуникационных систем» РАДИОИНФОКОМ-2015, 14-18 апреля 2015 г., сборник трудов. с. 152-156

18. Андреев С.Е., Богачев Н.Н., Богданкевич И. Л., Гончаров П.Ю. Эволюция спектров сигнала плазменной несимметричной вибраторной антенны.// Вторая международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы и перспективы развития радиотехнических и инфокоммуникационных систем» РАДИОИНФОКОМ-2015, 14-18 апреля 2015 г., сборник трудов. с. 412-416.

19.Андреев С.Е., Богачев Н.Н., Гончаров П.Ю. Корреляционный анализ сигнала плазменной несимметричной вибраторной антенны.// Школа молодых ученых «Перспективы развития радиотехнических и инфокоммуникационных систем» РАДИОИНФОКОМ-2015, 14-18 апреля 2015 г., сборник трудов. с. 159-163.

20. Андреев С.Е. Алгоритм и программный комплекс для анализа характеристик плазменного релятивистского генератора сверхвысокой частоты.//Системы и средства информатики. 2016. Т. 26. № 1. С.30-44. ISSN: 0869-6527. DOI: 10.14357/086965271601031.

21.Андреев С.Е., Богачев Н.Н. Выходной широкополосный преобразователь типов для плазменного релятивистского СВЧ-генератора.// Сборник научных трудов конференции КрыМиКо - 2016. 2016 г. С. 1688-1694.

22.Андреев С.Е., Алексеев И.С., Крымов Р.Р., Ульянов Д.К. Широкополосная антенна для регистрации импульсов мощного СВЧ-излучения.// Труды ИОФРАН. 2016. Т. 72, с. 140-145. ISSN: 0233-9390

23.Андреев С.Е., Алексеев И.С., Иванов И.Е., Стрелков П.С., Ульянов Д.К. Средства измерения электрического поля и его пространственного распределения в импульсах СВЧ-излучения мегаваттного уровня мощности.// Инженерная физика. 2016. №5. С.20-27. ISSN: 2072-9995

24.Andreev S.E., Alekseev I.S., Krimov R.R., Ulyanov D.K. Wideband antenna for detecting high-power microwave radiation puises.// Physics of wave

90

phenomena.2017. V. 25. №1. P.60-63. ISSN: 1541-308X. DOI: 10.3103/S1541308X17010101

25. Андреев С.Е., Богачев Н.Н. Преобразователь моды ТЕМ01 в моду Н11 в диапазоне 2,5-18 ГГц для плазменного релятивистского СВЧ-генератора.// Сборник научных трудов конференции КрыМиКо - 2017. 2017 г. С. 1171-1178.

26.Андреев С.Е., Богачев Н.Н. Преобразователь моды излучения ТЕМ01 в моду Н11 для плазменного релятивистского СВЧ-генератора.//Прикладная физика. 2017. №6. С. 15-19.

27.Андреев С.Е., Богданкевич И.Л., Гусейн-заде Н.Г. Нелинейная динамика плазменно-пучковой неустойчивости в плазменном релятивистском СВЧ-генераторе.//ХУП международная зимняя школа-семинар по радиофизике и электронике сверхвысоких частот. 2018. С. 92

28.http://www.atecorp.com/ATECorp/media/pdfs/data-sheets/TektronixTDS7154_Datasheet.pdf

29.http://www.testequipmentconnection.com/specs/71604.pdf

30.Кузелев М.В., Рухадзе А.А. Электродинамика плотных электронных пучков в плазме. М., Наука, 2000.

31.I.L.Bogdankevich, O.T.Loza, D.A.Pavlov, Control over the Radiation Spectrum of a Microwave Plasma Relativistic Oscillator // Plasma Physics Reports, 2009, v.35,#3, pp.183-190.

32.. A.B.Buleyko, N.G.Gusein-zade, and O.T.Loza, Plasma mazers: status quo and development prospects// Phys. Wave Phenom., 2018, v. 26, #4, pp. 317322

33. . Loza O.T. Generation of high-Current Relativistic Electron Beams with Stable (for a Microseconds) Parameters Using Explosive Emission Cathodes // Technical Physics. 2008. V. 53, #11. pp. 1479-1484.

34. I.L.Bogdankevich, O.T.Loza, D.A.Pavlov, The Shortening of a Microwave Pulse in the Oscillator with the High-Current Relativictic Elector Beam. // Plasma Physics Reports, 2009, v.35,#3, pp.183-190.

91

35.Андреев С.Е., Ульянов Д.К. Метод управления спектром плазменного релятивистского свч-генератора в частотно-периодическом режиме.// Прикладная физика. 2014. № 4. С. 26-29.

36.Andreev S.E., Bogdankevich I.L, Gusein-zade N.G., Ul'anov D.K. Change in the generation mode of the plasma relativistic microwave oscillator.//Plasma physics reports. 2019. N. 45, P. 674-684.

37.Bogandkevich I.L., Andreev S.E., Gusein-zade N.G., Ulyanov D.K. Effect of the distance of plasma-beam interaction on the oscillation regimes in a plasma relativistic microwave oscillator.//Journal of Russian laser Research. 2019. N. 40, P. 435-446.

38.A. M. Gaponenko, K. V. Karlik, S. A. Kitsanov, A. I. Klimov, I. N. Konovalov, S. D. Korovin, G. A. Mesyats, I. V. Pegel, S. D. Polevin, D. I. Proskurovsky, and M. Yu. Sukhov. Lengthening of Microwave Pulse in a 3-GW Relativistic BWO.// Proc. 13th Int. Conf. BEAMS 2000, Nagaoka, Japan

39.. Блейхер Г.А., Кривобоков В.П. Эрозия поверхности твёрдого тела под действием мощных пучков заряженных частиц.// Новосибирск: «Наука», 2014. - 248 с.

40..V.P.Tarakanov. «User's Manual for Code KARAT - Springfield, VA: Berkley Research Associates, Inc. — 1992.

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

42.Лоза О.Т., Пономарев А.В., Стрелков П.С., Ульянов Д.К., Шкварунец А.Г., Источник трубчатой плазмы с управляемым радиусом для плазменного релятивистского СВЧ-генератора.//Физика плазмы 1997, Т.23, №3. С. 222-229

43.Зайцев Н.И., Кулагин И.С., Нечаев В.Е. // иС. 779-783.

44. Богданкевич И.Л, Стрелков П.С., Тараканов В.П., Ульянов Д.К. влияние отраженных от коллектора электронов на параметры сильноточного релятивистского электронного пучка//Физика плазмы, 2004. Т.30. №5. С. 412-416.

45.Лоза О.Т., Ульянов Д.К., Стрелков П.С, Иванов И.Е., Баранов Р.В. Увеличение средней мощности излучения плазменного релятивистского СВЧ-генератора // Краткие сообщения по физике ФИАН, №4, 2011, с.47-50.

46.Н.Н.Карташев, М.А.Красильников, М.В.Кузелев и А.А.Рухадзе. Эффективность излучения плазменного релятивистского СВЧ-генератора при учете дисперсии коэффициента отражения. // Прикладная физика. 2002. № 4. С. 66-75.

47.S.A. Maiorov, S.K. Kodanova, R.I. Golyatina, and T.S. Ramazanov, Kinetic characteristics of ions in the gas discharge and on the target surface // Physics of Plasmas 24, 063502 (2017); doi: 10.1063/1.4984784

48.A.M.Ignatov, N.G.Gusein-zade «Нелинейная теория неустойчивостей идеальной плазмы: Гамильтонов формализм для неравновесных сред», URSS. M.: ЛЕНАНД, 2017. -176 c.

49.Андреев С.Е., Алексеев И.С., Крымов Р.Р., Ульянов Д.К. Широкополосная антенна для регистрации импульсов мощного СВЧ-излучения // Труды ИОФРАН. 2016. Т. 72, с. 140-145. ISSN: 0233-9390

50.Лоза О.Т., Ульянов Д.К., Баранов Р.В. Управление частотой излучения плазменного релятивистского СВЧ генератора в течение импульса наносекундной длительности // ЖТФ, 2013, т.83, вып.3, с.98-102.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Акты внедрения и использования основных

результатов.

Министерство науки и высшег о образованна Российской Федерации

Федеральное государственное &юджетнос учреждение науки ФЕДЕРАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЦЕНТР «Инстнтут общей физики ггм. A.M. Прохорова Российской академии наук»

II4M1, ГСН-1, М«ска*> ул.Вшш.пиШ. Ttii (4») 505-S7-M; Фат;: («9; »3-87-13; Е-пи11- nfficwg upi.ru; InpaJHWvi'-Ipl.ru; ОКПОI2T0HS7; JfllH 77Э»»70»; КПП 773W1W1.

ИСХ..№112]?____. . ,i>J__ _г'

на.Уг _ .от____20_г.

Настоящий акт составлен в той, что в отделе физики плазмы ИОФ РАН были внедрены следующие результаты диссертационной работы Андреева Сергея Евгеньевича «Длительность генерации с верх широкополосного СВЧ-шпучения плазменным релятивистским СВЧ-генератором»' Программный комплекс для обработки данных о выходном СВЧ-иэлучении плазменного релятивистского СГСЧ-генератора.

ИОФ РАН

Акт о кнедренин ре1улътнтов

И.о. Заведующего отделом физики плазмы

Подпись В.Д. Степахкна заверяю ;РИ0 ученого секретаря ИОФ РАН