Плазменный релятивистский СВЧ-генератор в численных моделях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.08, кандидат физико-математических наук Павлов, Дмитрий Андреевич

• Павлов, Дмитрий Андреевич
• кандидат физико-математических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Павлов, Дмитрий Андреевич

Оглавление.

Введение.

§1. Актуальность работы.

§2. Цели диссертационной работы.б

§3. Научная новизна.

§4. Научная и практическая ценность результатов.

§5. Публикация и апробация результатов.

§6. Структура и объем диссертации.

§7. Краткое содержание диссертации.

Глава 1. Обзор литературы.

Глава 2. Модели, используемые в работе.

§1. Алгоритм расчета коэффициента усиления.

§2. Алгоритм расчета коэффициента отражения.

§3. Код КАРАТ.

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

§1. О длине плазменно-пучкового взаимодействия.

§2. О генерации стабильной частоты излучения ПРГ.

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

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

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Плазменный релятивистский СВЧ-генератор в численных моделях»

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

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

§1. Актуальность работы

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

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

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

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

Заключение диссертации по теме «Физика плазмы», Павлов, Дмитрий Андреевич

Выводы

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

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

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

Благодарности

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

Автор признателен Павлу Сергеевичу Стрелкову за постоянное внимание и поддержку.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Заключение

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

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

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

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

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Павлов, Дмитрий Андреевич, 2010 год

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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