Теоретические и экспериментальные исследования электродинамических и электронных процессов в замедляющих системах ламп бегущей волны с плазменным заполнением пролётного канала тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.08, кандидат физико-математических наук Григорьев, Василий Юрьевич

• Григорьев, Василий Юрьевич
• кандидат физико-математических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Григорьев, Василий Юрьевич

Введение.

Глава 1.ЛБВ с гибридной ЗС.

§ 1.1 Электродинамика гибридных замедляющих систем.

§1.2 Взаимодействие электронного пучка и электромагнитной волны в вакуумном волноводе.

§ 1.3 Гибридные ЛБВ.

Глава 2.Программный комплекс математического моделирования и расчета характеристик ЛБВ с гибридной ЗС.

§ 2.1 Концепция построения программного комплекса.

§ 2.2 Состав программного пакета.

§ 2.3 Методика проведения расчета характеристик ЛБВ с гибридной ЗС.

§ 2.4 Моделирование электродинамики. Расчет дисперсионных характеристик гибридной ЗС.

§ 2.5 Оптимизация геометрии прибора.

§ 2.6 Моделирование взаимодействия электронного пучка и электромагнитной волны.

§ 2.7 Моделирование и исследование расчетных характеристик.

Глава 3.Много секционные приборы, использование пролётно-группирующей секции

§ 3.1 Поведение электронных сгустков в пролётно-группирующей секции.

§ 3.2 Оптимизация длины пролётно-группирующей секции.

Глава 4.Численный расчет и экспериментальное измерение характеристик ЛБВ с плазменным заполнением пролетного канала.

§ 4.1 Расчет дисперсионных характеристик.

§ 4.2 Расчет сопротивления связи.

§ 4.3 Оптимизация геометрии ячейки регулярной части электродинамической системы.

§ 4.4 Расчет характеристик согласования.

§ 4.5 Оптимизация геометрии входного и выходного согласующих трансформаторов.

§ 4.6 дисперсионные характеристики гибридной ЗС при радиальной неоднородности плазменного заполнения.

§ 4.7 Экспериментальное определение дисперсионных характеристик и КСВ

§ 4.8 Методика расширения полосы усиления.

Глава 5.Особенности применения плазменных ЛБВ для систем широкополосной радиосвязи.

§ 5.1 Особенности широкополосной радиосвязи.

§ 5.2 Вычисление автокорреляционных моментов высших порядков с целью уверенного обнаружения сигнала.

§ 5.3 Параметрическая модуляция усиливаемого сигнала.

§ 5.4 Особенности ЛБВ с плазменным заполнением пролётного канала.

§ 5.5 Стохастическая модуляция сигнала на выходе ЛБВ с плазменным заполнением пролетного канала.

§ 5.6 Спектральный состав колебаний тока электронного пучка в плазменной

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Теоретические и экспериментальные исследования электродинамических и электронных процессов в замедляющих системах ламп бегущей волны с плазменным заполнением пролётного канала»

Актуальность работы.

СВЧ устройства средней и большой мощности, предназначенные для усиления и генерации электромагнитных колебаний, базируются на использовании электровакуумных приборов (ЭВП) СВЧ разнообразных типов: ламп бегущей волны (ЛБВ), клистронов, магнетронов, гиротронов и других. Исследование и разработка этих приборов, как и вакуумная СВЧ электроника в целом, представляют собой важнейшее направление науки и техники, в котором сегодня остро нуждаются как оборонные, так и многие гражданские отрасли промышленности. Вакуумные приборы СВЧ обеспечивают получение электромагнитного излучения в диапазоне 108-1012 Гц, то есть от диапазона коротких радиоволн до границы с диапазоном инфракрасного излучения, мощностью от сотен милливатт до мегаватт. Эти излучения используются в таких важнейших отраслях науки и техники как: радиолокация; связь, в том числе космическая связь, передача телевизионных сигналов, телеметрия, современная цифровая телефония; плазмохимические и ионно-плазменные процессы и технологии; применение воздействия мощного СВЧ излучения на вещество, в том числе обработка пищевых продуктов, стимулирование химических реакций и так далее; радиоэлектронная борьба; применение СВЧ излучения в медицине, в том числе для лечения онкологических заболеваний; нагрев плазмы и генерация токов увлечения в установках управляемого термоядерного синтеза; запитка ускорителей заряженных частиц.

Важнейшими особенностями вакуумной СВЧ электроники являются ее высокая наукоёмкость и необходимость использования технологий автоматизированного инженерного и научного расчета при проектировании и производстве приборов.

Возрастание интереса к ЭВП СВЧ в последние годы подчеркивается организацией крупных международных конференций по вакуумной электронике. В частности, с 2000 года регулярно в Монтерее, США проводится конференция IVEC. Основной причиной возрастания интереса является существенный рост потребностей человечества к устройствам широкополосной радиосвязи, которым не удовлетворяют полупроводниковые устройства из-за ограничений на максимальную передаваемую мощность.

Однако новые задачи, поставленные перед СВЧ электроникой и вакуумной в частности, заставляют выдвигать новые требования, предъявляемые к вакуумным приборам СВЧ, которые предусматривают укорочение длины волны, увеличение мощности и КПД, расширение рабочей полосы частот. Кроме того, из-за возрастания темпов развития научно-технической базы и экономики, необходимо радикально снижать временные затраты на разработку новых типов приборов. Это приводит к необходимости создания новых средств их проектирования и создания новых принципов их построения.

Поскольку при продвижении в сторону высоких частот (миллиметровый и субмиллиметровый диапазоны длин волн) серьезно возрастают трудности при изготовлении электродинамических систем и при обеспечении теплоотвода от них, перспективным и очень важным направлением развития усилительной техники является плазменная СВЧ электроника, позволяющая увеличить размеры элементов приборов и упростить их конструкцию. В целом, преимущества плазмозаполненных приборов О-типа заключаются в более широкой полосе усиления, повышении КПД, а также в возможности перестройки рабочей полосы.

Как уже отмечалось, ввиду сложности ЭВП СВЧ, включающих электродинамические системы, электронно-оптические системы, коллекторы, пространство взаимодействия электронов с полем, в настоящее время их проектирование немыслимо и нецелесообразно без моделирования и численных расчетов при помощи ЭВМ.

Машинное моделирование и проектирование применяется при решении как прикладных, так и фундаментальных проблем исследования взаимодействия электронных потоков с электромагнитным полем в приборах и устройствах СВЧ. Существуют программы, позволяющие производить моделирование электродинамики плазмозаполненных приборов, однако они способны производить расчет либо только вакуумных систем, либо узкоспециализированны и не годятся для для расчета распространения электронного потока в плазмозаполненных волноводах сложной конфигурации.

В последних публикациях, в частности материалах указанных конференций, содержатся сведения о большом числе новых программных комплексов для моделирования и проектирования ЭВП СВЧ и их узлов.

В СВЧ-диапазоне длина волны Л сравнима с размерами системы I и при построении математической модели приходится решать полную систему уравнений Максвелла, тогда как для более низких частот при Л»/ получаются более простые уравнения электрических цепей, а в оптическом диапазоне при Л «с/ действуют законы лучевой геометрической оптики.

В последние годы для моделирования процессов в ЭВП СВЧ разработан ряд программных комплексов, опирающихся на прямое численное решение уравнений Максвелла и уравнений движения электронов, анализирующих прибор с использованием новых возможностей вычислительной техники по быстродействию и объему памяти. К ним можно отнести программы «Карат», MAFIA 3D, MAGIC 3D, MWS и другие. Такие программы дают возможность детального анализа микропроцессов взаимодействия электронных пучков с полем, однако не предусматривают возможности моделирования и расчета характеристик приборов с плазменным заполнением пролетного канала. Вместе с тем, создание каждой из этих программ потребовало затрат средств и в ходе их разработки решены (и продолжают решаться) многочисленные технические трудности. Модульный принцип организации и инструменты для интеграции в пользовательскую среду разработки, ставшие стандартными для современных программных продуктов, дают возможность дополнить эти программы необходимыми модулями, которые позволят получить средства для моделирования и проектирования плазмозаполненных приборов СВЧ.

Для этого необходим модуль моделирования процессов нелинейного взаимодействия электронов с электромагнитным полем в плазмозаполненном волноводе и методика его сопряжения с программами расчета электродинамических характеристик плазмозаполненных систем, определяющих характеристики этого поля. Это даст возможность моделирования и проектирования приборов от геометрии замедляющих систем до выходных высокочастотных характеристик в едином цикле, создаст основу для интерактивного проектирования и создания приборов с качественно новыми характеристиками.

На основе вышеизложенного можно сделать вывод об актуальности научно-технической проблемы, заключающейся в разработке эффективных методов моделирования, средств для проектирования и исследования пучковоплазменных приборов СВЧ большой мощности, имеющей важное экономическое и оборонное значение, в том числе, для перечисленных выше отраслей науки и техники.

Цель работы

Целью работы является разработка методов моделирования электродинамических и электронных процессов в плазмозаполненных приборах СВЧ, создание на этой основе программного комплекса для проектирования в интерактивном режиме ЛБВ с плазменным заполнением пролетного канала с резонаторными замедляющими системами, начиная с геометрии замедляющей системы до выходных характеристик и проверка пригодности этого метода для разработки приборов с качественно новыми характеристиками, а также исследование основных свойств пучково-плазменных приборов СВЧ с целью получения необходимых сведений для решения задачи разработки оптимальной конструкции прибора для широкополосной радиосвязи.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Разработанные программный пакет и методика позволяют производить инженерный расчет амплитудно-частотных характеристик ЛБВ с плазменным заполнением пролётного канала.

2. Конструкция ЛБВ с дополнительной пролётно-группирующей секцией оптимальной длины позволяет повысить КПД прибора и уменьшить количество резонаторов ЗС.

3. Метод перестройки полосы усиления прибора за счет регулировки параметров режима работы позволяет управлять полосой усиления прибора в пределах 50% от полосы пропускания замедляющей структуры.

4. Экспериментальная методика регистрации высокочастотной модуляции тока электронного пучка позволяет измерять спектральные и статистические характеристики высокочастотной стохастической модуляции тока электронного пучка и расширения полосы выходного сигнала.

5. Результаты моделирования показывают, что применение параметрической модуляции стохастическими плазменными колебаниями с целью расширения информационного сигнала позволяет наиболее эффективно использовать ЛБВ с плазменным заполнением пролётного канала для получения сверхширокополосных сигналов.

6. Разработанная методика экспериментального измерения дисперсионных характеристик гибридной ЗС позволяет определить ее параметры на стадии изготовления пучково-плазменного прибора СВЧ.

Научная новизна

1. Разработан оригинальный метод моделирования и расчёта мощных ЛБВ с плазменным заполнением пролётного канала, позволяющий получать семейства амплитудно-частотных характеристик в зависимости от геометрии прибора, параметров плазмы, величины индукции продольного магнитного поля и режима работы.

2. Впервые показано, что введение пролётно-группирующей секции приводит к увеличению КПД в плазменном режиме работы ЛБВ с плазменным заполнением пролётного канала.

3. Исследована зависимость дисперсионных характеристик гибридных ЗС от радиального распределения плотности плазмы в пролётном канале.

4. Впервые экспериментально исследованы спектральные характеристики шумоподобной модуляции тока электронного пучка и выходного сигнала

ЛБВ с плазменным заполнением пролётного канала.

5. Разработан метод бегущей волны для экспериментального исследования дисперсии и характеристик согласования ЛБВ с плазменным заполнением пролётного канала, позволяющий экспериментально определить зависимость замедления и полосы пропускания от концентрации плазмы в пролётном канале прибора и производить настройку устройств ввода и вывода СВЧ мощности.

Заключение диссертации по теме «Физика плазмы», Григорьев, Василий Юрьевич

ГЛАВА 5. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

В ходе проведенных теоретических и экспериментальных исследований получены следующие научные результаты:

1. Разработан оригинальный метод моделирования и расчёта мощных ЛБВ с плазменным заполнением пролётного канала, позволяющий получать семейства амплитудно-частотных характеристик в зависимости от геометрии прибора, параметров плазмы, величины индукции продольного магнитного поля и режима работы.

2. Впервые показано, что введение пролётно-группирующей секции приводит к увеличению КПД в плазменном! режиме работы ЛБВ с плазменным заполнением пролётного канала.

3. Исследована зависимость дисперсионных характеристик гибридных ЗС от радиального распределения плотности плазмы в пролётном канале.

4. Впервые экспериментально исследованы спектральные характеристики шумоподобной модуляции тока электронного пучка и выходного сигнала ЛБВ с плазменным заполнением пролётного канала.

5. Разработан метод бегущей волны для экспериментального исследования дисперсии и характеристик согласования ЛБВ с плазменным заполнением пролётного канала, позволяющий экспериментально определить зависимость замедления и полосы пропускания от концентрации плазмы в пролётном канале прибора и производить настройку устройств ввода и вывода СВЧ мощности.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Григорьев, Василий Юрьевич, 2010 год

1. Кислов В.Я., Богданов Е.В. Взаимодействие медленных плазменных волн с потоком электронов, "Радиотехника и электроника", 1960. - т. V. - Вып. 12. - стр. 1974.

2. Бернашевский Г.А., Богданов Е.В., Кислов В.Я., Чернов З.С., Плазменные и электронные усилители и генераторы СВЧ. М. Советское радио, 1965.

3. Кузелев М. В., Рухадзе А. А., Стрелков П. С., Плазменная релятивистская СВЧ-электроника: Учеб. пособие для вузов,

4. Ахиезер А. И., Файнберг Я. Б. О взаимодействии пучка заряженных частиц с электронной плазмой // ДАН СССР. 1949. - Т. 69. - № 4. - С. 555.

5. Bohm D., Gross Е. P. Theory of plasma oscillations // Phys. Rev. 1949. - V 75. -No. 12. - P. 1851.

6. Nusinovich G. S., Carmel Yu., Antonsen Т. M., Goebel D. M., Santori J. Recent progress ins the development of plasma-filled travelling-wave tubes and backward-wave oscillators // IEEE Trans. Plasma Sci. 1998. - Vol. 26. - No. 3. - P. 628.

7. Братман B.Jl., Гинзбург H.C., Шапиро M.A. К теории релятивистских плазменных черенковских СВЧ приборов // Изв. вузов. Радиофизика. — 1981. — Т. 24, N 6. С. 763-768.

8. Бугаев С. П., Канавец В. И., Климов А. И. и др. Взаимодействие электронного потока и электромагнитного поля в многоволновом черенковском генераторе с мощностью 1010 Вт // РиЭ, 1987, т. 32, вып. 7, с. 1488-1496.

9. Абубакиров Э. Б., Белоусов В. И., Варганов В. Н. и др. Экспериментальная реализация метода циклотронно-резонансной селекции мод в релятивистских электронных высокочастотных генераторах черенковского типа // Письма в ЖТФ, 1983, т. 9, в. 9, с. 533-536.

10. Бондарь Ю. Ф., Заворотный С. И., Ипатов A. JL, Карбушев Н. И., Ковалев Н. Ф., Лоза О. Т. и др. Исследование генерации высокочастотного излучения вкарсинотроне с релятивистским электронным пучком // ФП, 1983, т. 9. в. 2, с. 383-388.

11. Александров А. Ф., Галузо С. Ю., Канавец В. И., и др. Особенностичеренковского излучения релятивистского электронного потока вгофрированном волноводе // ЖТФ, 1980, т. 50, в. 11, с. 2381-2389.

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

13. Файнберг Я.Б., Блиох Ю.П., Корнилов Е.А., Любарский М.Г., Марков П.И. Онищенко И.Н., Сотников Г.В. Электродинамика гибридных плазменно-волноводных замедляющих структур//Доклады АН УССР. Физ.-мат. и техн. науки. 1990. -№ 11. - С. 55-58.

14. Файнберг Я.Б., Блиох Ю.П., Митин Л.А. и др., Электродинамика гибридных плазменно-волноводных замедляющих систем // Докл. АН УССР. № 11. - 1990. - С. 76.

15. Файнберг Я.Б., Блиох Ю.П. Любарский М.Г., Марков П.И., Онищенко И.Н., Сотников Г.В. Электродинамика гибридных плазменных замедляющих структур// Физика плазмы. 1994. - Т. 20. - № 9. - С. 757-766.

16. Zavjalov М.А., Mitin L.A., Perevodchikov V.I. et al. Powerful wideband amplifier based on hybrid plasma-cavity slow-wave structure // IEEE Trans. Plasma. Sci.- 1994.-Vol. 22.-P. 600.

17. Боровиков П.В., Григорьев А.Д., Мейев В.А. и др., Известия ЛЭТИ, выпуск № 3,с.72, 1991 г.

18. В.И. Канавец, Н.И. Карбушев, Е.И.Острецкий, А.И.Слепков// РЭ. 1990. -Вып. 12. - С. 2574.

19. Вайнштейн Л.А., Солнцев В.А. Лекции по сверхвысокочастотной электронике. М.: Сов. радио, 1973.

20. Цейтлин М.Б., Кац A.M. Лампа с бегущей волной. М.: Сов. радио, 1964.

21. Рапопорт Г.Н., Чайка В.Е. О поведении ЛБВ вблизи границ пропускания // Известия вузов СССР. Радиотехника, 1964. Т.7. С. 58.

22. Dow D.G. Behavior of travelling-wave tubes near circuit cut-off// IRE Trans. -1960. Vol. ED-7. - № 3. - P. 123.

23. Рапопорт Г.Н., Чайка B.E. О поведении ЛБВ вблизи границ полосы пропускания замедляющей системы // Известия вузов СССР. Радиотехника. -1964.-Т. 7.-С. 58.

24. Файнберг Я.Б., Горбатенко М.Ф. Электромагнитные волны в плазме, находящейся в магнитном поле//ЖТФ. 1969. - Т. 29. - № 5. - С. 549-562.

25. Григорьев А.Д., Янкевич В.Б. Резонаторы и резонаторные замедляющие системы СВЧ. М.: Радио и связь, 1984.

26. Канавец В. М., Мозговой Ю. Д.//РЭ, 1974. Т. 19. - №4. - С. 957.

27. Рогашкова А.И., Цейтлин М.Б., Электрон. Техника. Сер. 1. «Электроника СВЧ», 1967, вып. 4, с. 3-17.

28. Рогашкова А.И., Цейтлин М.Б. Нелинейная теория плазменной ЛБВ // Эл. техника. Сер 1. Электроника СВЧ, 1967. Т. - № 7. - С. 3-17.

29. Бороденко В.Г., Варнавский А.Н., Красильников А.С., Победоносцев А.С., Сазонов В.П., Хомич В.Б. Методы оптимального синтеза ЭВП СВЧ.// Электронная техника, серия 1, Электроника СВЧ, вып.2, 1995, с.З.

30. Горбенко Н.Н., Ильин В.П., Попова Г.С., Свешников В.М. Пакет программ "ЭРА" для автоматизации электронно-оптических расчетов //Численные методы решения задач электронной оптики. Новосбирск: ВЦ СО АН СССР, 1979.

31. Битшева Н.В., Гришина И.Б., Зайцев С.А., Кущевская Т.П. и др. Программа для решения на БЭСМ-6 задачи анализа двумерных электронно-оптических систем. Электронная техника, серия 1,// Электроника СВЧ, вып.2, 1978, с. 121.

32. Кушевская Т.П., Румянцев С.А. Комплекс программ для анализа электронно-оптических систем на ПЭВМ.// Тезисы докладов Всесоюзного семинара по методам расчета электронно-оптических систем. 20-22 ноября 1990. Львов, 1990, с. 116.

33. Chia-Lie Chang, М. Baird, D. Chernin, M. Czarnaski, R. Harper, D.G. Holstein, B. Levuch. A Design Software Suite for Periodic Permanent Magnet Stacks.1.ternational Vacuum Electronics Conference. 2000, Monterey, California, p. 8.4.

34. А.Д. Григорьев, Д.Ю. Никонов Программа "НЕВА 8" анализа и синтеза замедляющих систем типа цепочка связанных резонаторов для ламп бегущей волны.// Доклад в сборнике Труды конференции "Электронные приборы и устройства СВЧ", Саратов, 2001.

35. Колобаева Т.Е. Расчет характеристик цепочек связанных резонаторов.// В кн. Лекции по электронике и радиофизике. 8-я школа-семинар инженеров. Саратов, СГУ, 1989, с. 113.

36. Григорьев А.Д., Мейев В:А. Программа анализа и оптимизации замедляющих систем типа ЦСР. // Электронная техника. Сер.1. Электроника СВЧ, 1985, вып.1, с.69.

37. Гассанов А.Г., Денисов А.И., Рапопорт Г.И., Чайка В.Е. Теория приборов О-типа из цепочки связанных неидентичных резонаторов.// Изв. Вузов, Сер. Радиоэлектроника, 1974, т. 17, №11, с. 33.

38. Канавец В.И., Мозговой Ю.Д. Программа расчета дисперсионных характеристик ЛБВ с периодической замедляющей системой.// Электронная техника, Сер.1, Электроника СВЧ, 1978, №3, с.120.

39. Наседкин А.А., Петров Д.М. К расчету прибора О-типа с цепочкой неидентичных «активных» и «пассивных» резонаторов при произвольной связи между ними. //Электронная техника. Сер.1, Электроника СВЧ, 1981, №2, с.35.

40. Булгакова Л.В., Трубецков Д.И., Фишер В.Л. Программа расчета нелинейного режима работы ЛБВО с цепочкой связанных резонаторов.// Тезисы докладов I Всесоюзной конференции «Автоматизация проектных иконструкторских работ», 1979, М., с.212.

41. Осин А.В., Солнцев В.А. Программа для расчета взаимодействия в приборах типа О с периодической структурой. // Электронная техника. Сер.1, Электроника СВЧ, 1980, №9, с.69.

42. R. Carter. Computer Modeling of Microwave Tubes A Review.// 2nd IEEE International Vacuum Electronics Conference - IVEC 2001, 2-4 April Noordwijk, The Netherlands, 2001, p. 14.

43. Бахвалов H.C., Жидков Н.П., Кобельков Г.М. Численные методы. М.: Бином, 2001 - с. 363-375.

44. К. В. Троцюк, В. Б. Профе, А. И. Астайкин, А. П. Мартынов. Метод резонансов для измерения дисперсионной характеристики цепочки связанных резонаторов/ТПрикладная физика. 2000. - № 3. - С. 181.

45. Райзер Ю. П. Физика газового разряда. М. Наука, 1992. - С. 85-86.

46. Диксон Р.К. Широкополосные системы. -М.: Связь, 1979.

47. Информационные технологии на основе динамического хаоса для передачи, обработки, хранения и защиты информации / Ю.В. Гуляев, Р.В. Беляев, Г.М. Воронцов и др. // Радиотехника и электроника. 2003. - Т. 48, № 10. - С. 1063.

48. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. М.: Сов. радио, 1978.

49. Пат. 2137151 РФ. Способ обнаружения радиолокационных сигналов / О.Ю. Кузнецов, Ю.А. Кузнецов. Заявлено 22.10.98.

50. Боровиков П.В. Исследование влияния величины магнитного поля на работу плазменной ЛБВ // Прикл. физика. 2003. - № 2. - С. 37-41.

51. Neganova L.A., Perevodchikov V.I., Tskai V.N., Zavjalov M.A. Electron beam plasma in the narrow conducting channel //19 ICPIG. Belgrade, 1989. - Vol. 4. - P.

52. Мощные широкополосные пучково-плазменные усилители СВЧ-колебаний/ П.В. Боровиков, М.А. Завьялов, Ю.А. Кузнецов, В.И. Переводчиков и др. // Прикл. физика. 2001. - № 5.

53. Бахвалов Н.С., Жидков Н.П., Кобельков Г.М. Численные методы: Учеб. пособие. М.: Наука, 1987. - С. 170-173.936.У