Нестационарные процессы генерации сильноточных электронных пучков и мощных импульсов электромагнитного излучения

2.2. Стартовый ток ЛОВ с диссипацией (затуханием рабочей волны).49.

2.3. Влияние затухания волны на работу ЛОВ.53.

2.4. Особенности поглощения электромагнитной волны электронной нагрузкой.54.

2.5. Роль положительно заряженных ионов.57.

2.6. Оценка максимальной величины декремента затухания.60.

2.7. Результаты численного эксперимента.62.

2.8.

Заключение

67.

ГЛАВА 3. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ГЕНЕРАЦИИ МОЩНОГО СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ В СИСТЕМАХ С ВИРТУАЛЬНЫМ КАТОДОМ.69.

3.1.

Введение

69.

3.2. Виртуальный катод в плоском эквипотенциальном зазоре.73.

3.2.1. Стационарное состояние.73.

3.2.2. Релаксационные колебания объемного заряда в системе с виртуальным катодом.75.

3.2.3. Роль виртуального катода в СВЧ-генераторе.

Виртуальный катод как модулятор электронного тока.80.

3.3. Численное моделирование взаимодействия электронного потока с виртуальным катодом с ВЧ полем в одномерной модели.86.

3.3.1. Однозазорная система с малой надкритичностью тока.87.

3.3.2. Генератор на отраженном токе с высокой надкритичностью тока.88.

3.3.3. Двухзазорная система с малой надкритичностью тока.90.

3.4. Трехмерный численный расчет двухсекционного виркатора.102.

3.4.1. Оптимальные параметры генератора.102.

3.4.2. Моделирование виркатора в режиме инжекции электронного пучка.105.

3.4.3. Моделирование виркатора с электронным диодом.108.

3.4.4. Управление частотой генерации виркатора.112.

3.4.5. Расчет формирования электронного пучка.113.

3.5. Экспериментальная реализация виркатора.115.

3.6. Механизм ограничения длительности импульса виркатора.116.

3.7.

Заключение

121.

ГЛАВА 4. ГЕНЕРИРОВАНИЕ СВЕРХКОРОТКИХ МОЩНЫХ ИМПУЛЬСОВ СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ В РЕЖИМЕ ПРОСТРАНСТВЕННОГО НАКОПЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ЭНЕРГИИ.123.

4.1.

Введение

123.

4.2. Элементы теории.125.

4.2.1. Условия реализации режима пространственного накопления энергии в коротком СВЧ-импульсе в системе с обратной волной.126.

4.2.2. Линейное решение, удовлетворяющие условию синфазности ВЧ тока и ВЧ поля.129.

4.2.3. Длительность импульса излучения.131.

4.3. Численное моделирование в одномерной модели.133.

4.3.1. Нелинейные решения, удовлетворяющие условию синфазности ВЧ тока и ВЧ поля.133.

4.3.2. Расчет формирования импульса в самосогласованной модели.138.

4.3. Расчеты в осесимметричной электромагнитной модели (код KARAT).141.

4.4.1. Оптимальные параметры однопроходного генератора. Условия эффективной работы двухпроходной системы.141.

4.4.2. Возможность генерирования последовательности коротких СВЧ-импульсов в однопроходной системе.144.

4.5. Факторы, ограничивающие энергию и мощность СВЧ-импульса.145.

4.6. Экспериментальная реализация источника коротких СВЧ-импульсов.146.

4.7.

Заключение

151.

ГЛАВА 5. ЧИСЛЕННЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ В ПРИКЛАДНЫХ ЗАДАЧАХ ФОРМИРОВАНИЯ И ИЗЛУЧЕНИЯ.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИМПУЛЬСОВ.152.

5.1. Моделирование формирования высоковольтных импульсов в генераторах на основе коаксиальных формирующих линий.152.

5.1.1. Расчет дисперсионной характеристики спиральной линии.154.

5.1.2. Импульс, формируемый при разряде комбинированной линии.157.

5.1.3. Расчет высоковольтного генератора.159.

5.2. Моделирование излучения электромагнитных импульсов в свободное пространство с помощью коаксиального ТЕМ-рупора.162.

5.2.1. Расчет антенны.163.

5.2.2. Экспериментальная реализация излучателя.170.

5.3.

Заключение

171.

ОБЩЕЕ ЗАКЛЮЧЕНИЕ.173.

ПРИЛОЖЕНИЯ.180.

Приложение 1. ЧИСЛЕННОЕ РЕШЕНИЕ УРАВНЕНИЯ ПУАССОНА.

В ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ КООРДИНАТ.180.

Приложение 2. ОДНОМЕРНАЯ PIC-МОДЕЛЬ РЕЛЯТИВИСТСКОЙ.

ЛАМПЫ ОБРАТНОЙ ВОЛНЫ.181.

Постановка задачи.181.

Описание возбуждения электромагнитной волны.182.

Описание электронного пучка.184.

Учет объемного заряда.185.

Программная реализация модели.189.

Приложение 3. СООТНОШЕНИЯ ПОДОБИЯ ДЛЯ ЭЛЕКТРОННОГО.

ДИОДА И ТОК ОДИНОЧНОГО ЭМИТТЕРА.191.

Соотношения подобия для электронного тока в диоде.191.

Ток диода смалым одиночным эмиттером.192.

Приложение 4. О ВОЗМОЖНОСТИ ПРИБЛИЖЕННОЙ РЕАЛИЗАЦИИ УСЛОВИЯ СИНФАЗНОСТИ ВЧ ТОКА И ВЧ ПОЛЯ В ОДНОРОДНОЙ ВЧ-СИСТЕМЕ С РАСПРЕДЕЛЕННЫМ ОТВОДОМ МОЩНОСТИ.194.

ЛИТЕРАТУРНЫЕ ИСТОЧНИКИ.197.

Общая характеристика диссертационной работы.

Актуальность тематики исследований.

Основные цели и задачи диссертационной работы лежат в русле фундаментальных исследований релятивистской сильноточной электроники. Направления этих исследований диктуются необходимостью решения практических задач, главными из которых на сегодняшний день являются:

• Повышение пиковой мощности и энергии СВЧ-импульсов. Увеличение эффективности использования запасенной энергии в релятивистских СВЧ-генераторах.

• Разработка широкополосных источников излучения и приборов с возможностью оперативного управления частотой генерации.

• Повышение средней мощности излучения. Увеличение ресурса работы импульсно-периодических СВЧ-генераторов.

• Снижение массогабаритных характеристик импульсных СВЧ-источников.

Повышение мощности и энергии СВЧ-импульсов традиционно является центральной практической задачей релятивистской высокочастотной электроники [19, 24, 29, 45, 70, 99, 114, 129, 130]. Одной из проблем, затрудняющих движение в этом направлении, является ограничение длительности СВЧ-импульсов, возникающее в мощных генераторах. В гигаваттном диапазоне мощности эта проблема приобретает особую остроту. Как показали многочисленные независимые исследования, в релятивистских генераторах на основе сильноточных релятивистских электронных о пучков длительность импульсов излучения обычно ограничена величинами 10 — п.

10″ с при величине электрических полей на поверхности электродинамической системы 105—106 В/см [5, 37а, 50, 55]. Длительность импульса уменьшается с ростом его мощности. В настоящее время максимальная величина энергии СВЧ-импульсов релятивистских генераторов не превышает нескольких сотен джоулей.

Рассматриваемые в литературе механизмы ограничения длительности импульса излучения достаточно многообразны и специфичны для различных типов СВЧ-приборов [113, 138, 141,144].

Одним из генераторов мощных СВЧ-импульсов, наиболее хорошо исследованным в теории и эксперименте, является релятивистская лампа обратной волны (ЛОВ) [61, 118]. Максимальные уровни пиковой мощности излучения, достигнутые с использованием релятивистской ЛОВ, составили ~3 ГВт в 3-см диапазоне длин волн [7а, 37а] и более 5 ГВт в 8-см диапазоне [14а, 15а]. Именно в этом генераторе было зарегистрировано ярко выраженное ограничение длительности СВЧ-импульса: около 6 не при пиковой мощности излучения 3 ГВт и длительности импульса тока электронного пучка 50 не [37а]. В отличие от длинноимпульсных, субмикросекундных систем [73, 141] при наносекундной длительности электронного пучка укорочение импульса не может быть объяснено движением катодной и коллекторной плазмы. До последнего времени физическая картина явления оставалась невыясненной. Итак, актуальным являлось исследование механизмов прекращения генерации в релятивистской ЛОВ гигаваттного уровня мощности с наносекундным электронным пучком (Глава 2 диссертации).

Задача повышения пиковой мощности излучения тесно стыкуется с проблемой получения СВЧ-импульсов минимальной длительности. Хорошо известно, что с уменьшением длительности импульса существенно возрастает электрическая прочность электродинамических и антенных систем генераторов, и это открывает дополнительные возможности для увеличения мощности излучения. Минимизация длительности СВЧ-импульсов важна в радиолокации. Исследования показали, что наряду с методами временной и пространственной компрессии электромагнитной энергии большие возможности для получения коротких импульсов излучения с высокой пиковой мощностью открываются при использовании нестационарных эффектов. Так, например, было обнаружено, что для релятивистской лампы обратной волны при высокой надкритичности тока характерен начальный всплеск мощности, заметно превышающий ее последующий квазистационарный уровень [38]. По-видимому, этот факт сыграл важную роль в появлении идеи использовать для генерирования коротких СВЧ-импульсов электронные пучки минимальной длительности. Впервые такая возможность была продемонстрирована 1996 г. в миллиметровом диапазоне длин волн [34]. Был использован пучок длительностью в несколько сотен пикосекунд и циклотронный механизм генерациипиковая мощность СВЧ-импульса составила ~ 105 Вт. В дальнейшем при использовании черенковского механизма взаимодействия пиковая мощность импульсов была увеличена до десятков и сотен мегаватт [126, 157, 64], а также реализован режим с высокой частотой следования импульсов [41]. В 2002 г. А. А. Ельчаниновым и В. В. Ростовым была впервые продемонстрирована возможность получения импульсов сантиметрового диапазона с пиковой мощностью, превосходящей мощность электронного пучка [27а].

В рамках данного направления исследований актуальной на момент выполнения работы являлась задача формулировки физических условий, необходимых для генерирования коротких СВЧ-импульсов с максимальной величиной конверсии мощности электронного пучка в мощность излучения. В частности, важным представлялся ответ на вопрос о том, возможна ли эффективная генерации коротких мощных СВЧ-импульсов при использовании электронных пучков сравнительно большой длительности (много большей, чем у генерируемого импульса излучения). Результаты соответствующих исследований представлены в Главе 4 диссертации.

Потребительские свойства мощных СВЧ-источников во многом определяются их массогабаритными характеристиками, а также возможностью работы с высокой частотой повторения импульсов. Значительное сокращение размеров и вес СВЧ-генераторов, а также реализация импульсно-периодического режима генерации могут быть достигнуты за счет уменьшения величины магнитного поля, используемого для проводки сильноточного электронного пучка, или полного отказа от его использования. Последнее возможно, если протяженность транспортировки пучка в приборе невелика, а его конфигурация позволяет рассчитывать на фокусирующие свойства собственного магнитного поля пучка. К приборам, обладающим такими свойствами, относятся виркаторы [43, 91, 92, 27, 134, 129], в которых, благодаря свойствам виртуального катода, фазовая сепарация электронов в ВЧ поле может развиваться на расстояниях, сравнимых с длиной волны излучения. Компактность виркаторов делает их привлекательными для генерации излучения в длинноволновой части СВЧ-диапазона, что в настоящее время представляет значительный практический интерес.

Нельзя не упомянуть, что именно с использованием виркатора была получена рекордная мощность излучения в дециметровом диапазоне длин волн [133]. Вместе с тем, в большинстве известных экспериментов с виркаторами эффективность генерации была невелика (~1%), частота излучения нестабильна, а спектр излучения имел многомодовый состав. Большая величина мощности излучения достигалась в основном за счет колоссальной мощности электронного пучка. Имевшиеся представления о процессах генерации микроволновых колебаний в системах с виртуальным катодом не позволяли дать рекомендаций по повышению эффективности таких устройств. В связи с этим, актуальным являлось исследование нелинейных процессов взаимодействия электромагнитных полей с электронными пучками при наличии виртуального катода и разработка методов повышения эффективности генерации виркаторов без магнитного поля. Большой практический интерес представляет исследование возможности оперативного управления частотой генерации виркатора, а также исследование механизмов, вызывающих ограничение длительности и энергии генерируемого микроволнового импульса — такие явления наблюдались в ряде экспериментов с виркаторами, использующими электронные пучки субмикросекундной длительности. Исследованиям этих вопросов посвящена Глава 3 диссертации.

Основу любого генератора мощных СВЧ-импульсов составляет источник сильноточного электронного пучка. Применяются в основном ускорители прямого действия, построенные на базе импульсных высоковольтных генераторов. Среди них рядом достоинств с точки зрения возможности генерирования импульсов с высокой частотой повторения выделяются генераторы с трансформаторной зарядкой формирующих линий. В ИСЭ СО РАН с середины 70-х годов ведется разработка импульсно-периодических сильноточных электронных ускорителей прямого действия семейства СИНУС с длительностью импульса в единицы и десятки наносекунд [51, 67, 145]. Формирование высоковольтного импульса в этих устройствах происходит при разряде длинной коаксиальной формирующей линии, заряжаемой с помощью встроенного в нее трансформатора Тесла с высоким коэффициентом связи. В качестве высоковольтного коммутатора используется искровой газовый разрядник высокого давления.

Численное моделирование импульсных генераторов такого типа, с возможно более полным учетом геометрических и физических параметров их высоковольтной части, с использованием полностью электромагнитных кодов, представляется важной задачей с точки зрения возможности генерирования импульсов правильной формы, с коротким фронтом, что часто является критическим требованием при запитке мощных СВЧ-генераторов. Особый интерес представляет моделирование разрабатываемых в последнее время генераторов с комбинированными формирующими линиями, содержащими секции с центральным проводником спирального типа. Разработка таких импульсных источников имеет целью увеличение длительность формируемого высоковольтного импульса при сохранении габаритов устройстватакже этим достигается повышение величины выходного импеданса. Последнее требование часто является важным для эффективной передачи энергии из высоковольтного источника в СВЧ-генератор, импеданс вакуумного диода которого, как правило, сравнительно высок. Актуальным является детальное моделирование подобных устройств (в частности, с учетом влияния локальных неоднородностей в местах сопряжения секций на форму генерируемого импульса), предполагающее решение нестационарной задачи с детальным описанием геометрии линии и решением уравнений электромагнитного поля — Глава 5 диссертации.

Одной их важных практических задач, решаемых современной радиотехникой, является разработка мощных источников сверхширокополосных электромагнитных импульсов. Радиолокационные системы, использующие такие — не имеющие высокочастотного заполнения — импульсы наносекундной и пикосекундной длительности, обладают рядом преимуществ по сравнению с радарами с квазинепрерывным сигналом [11, 57, 102, 155]. Малая длительность импульсов обеспечивает высокое пространственное разрешение и контраст локации, а широкий непрерывный спектр сигнала дает возможность обнаружения объектов, защищенных от лоцирования в отдельных спектральных диапазонах. Фазовый анализ отраженного сигнала дает возможность для высокоинформативной диагностики объектов. Важным преимуществом таких устройств по сравнению с СВЧ-генераторами является их более простое устройство. Если в СВЧ-генераторе для преобразования энергии высоковольтного импульса в энергию электромагнитной волны применяется электронный пучок, то генератор сверхширокополосных импульсов может быть построен без использования этой промежуточной стадии преобразования энергии. При применении подходящей антенной системы короткий импульс напряжения, сформированный высоковольтным источником, может быть прямо преобразован в импульс излучения в открытом пространстве.

Актуальным для сверхширокополосной радиолокации является создание источников, у которых высокая импульсная мощность сочеталась бы с большой частотой повторения импульсов. Это предъявляет определенные требования к основным составным частям излучателя — формирователю высоковольтного импульса (стабильность параметров импульса и большой ресурс) и антенной системе (электрическая прочность при гигаваттном уровне мощности). В связи с этим является актуальным исследование возможности генерирования сверхширокополосных импульсов в помощью антенн, обладающих симметрией вращения (как наиболее электропрочных), запитываемых от высоковольтных генераторов на основе коаксиальных линий с трансформаторной зарядкой (в ИСЭ СО РАН — генераторы семейства СИНУС с минимальной, в единицы наносекунд, длительностью импульса). Результаты численных исследований, выполненных автором в этой области, представлены в Главе 5 диссертации.

В большинстве электронных ускорителей, лежащих в основе мощных СВЧ-генераторов, формирование электронного пучка происходит в вакуумных диодах с холодным взрывоэмиссионным катодом. В зависимости от типа СВЧ-генератора, могут использоваться коаксиальные диоды с магнитной изоляцией (в приборах с длительной инерционной группировкой электронов), родственные им диоды магнетронного типа (в релятивистском магнетроне и гиротронах), а также — например, в виркаторах — планарные диоды без магнитного поля. Важным требованием к вакуумному диоду является стабильность тока пучка и энергии электронов в течение импульса. Если для коаксиальных диодов с магнитным полем это требование в основном удовлетворяется, то для планарных диодов без магнитного поля характерно существенное снижение импеданса уже в течение первых десятков наносекунд.

Известно, что при наносекундной длительности импульса напряжения эмиссионная поверхность холодного катода не является сплошной, а представляет собой дискретную структуру образований из плотной плазмы — эмиссионных центров. Очевидно, что на величину импеданса вакуумного диода влияет не только крупномасштабное расширение катодной плазмы, приводящее к уменьшению эффективной величины диодного зазора, но и — в более ранние моменты времени — микроскопические процессы, связанные с расширением плазмы отдельных эмиссионных центров. Попытки исследования данной проблемы с использованием идеализированных моделей катода с полусферическими эмиттерами, предпринимавшиеся до настоящего времени, давали противоречивые результаты [107,123]. Таким образом, актуальным является исследование токовых характеристик сильноточных диодов с дискретной поверхностью эмиссии, а также разработка методов, позволяющих минимизировать зависимость импеданса диода от разлета катодной плазмы. Результаты исследований, выполненных автором в данной области, изложены в Главе 1 диссертации.

Значительная часть результатов, представленных в диссертационной работе, получена методами компьютерного моделирования. Процессы генерации СВЧ-излучения потоками заряженных частиц нелинейныэто затрудняет их аналитическое рассмотрение. Корректный количественный анализ таких процессов требует учета влияния собственных квазистатических и ВЧ полей объемного заряда электронного пучка. Наконец, важной особенностью процесса генерации мощного СВЧ-импульса является его нестационарность. Она связана, во-первых, с нестационарностью процесса формирования наносекундного сильноточного электронного пучка — как на макроскопическом уровне (пролетные эффекты, связанные с объемным зарядом), так и на микроскопическом уровне (динамика эмиссионной поверхности на катоде). Во-вторых, при использовании электронных пучков наносекундной длительности время переходных процессов в СВЧ-генераторах может быть соизмеримо с длительностью импульса тока. Наконец, при определенных условиях генерация ВЧ колебаний может происходить в автомодуляционном и стохастическом режимах, когда максимальная мощность излучения достигается в узких пиках. Наиболее выраженным случаем нестационарного процесса излучения является генерация СВЧ-импульсов предельно малой длительности — в несколько ВЧ периодов.

Перечисленные обстоятельства делают необходимой разработку и совершенствование методов и программных средств для численного моделирования нестационарных процессов формирования сильноточных пучков электронных потоков и их взаимодействия с интенсивными электромагнитными полями. Наибольшие возможности для исследования сложных нестационарных «кинетических» систем предоставляет метод макрочастиц или PIC-метод (Particle-In-Cell) [22, 131]. На его основе созданы многочисленные универсальные двухи трехмерные полностью электромагнитные коды, позволяющие производить численное моделирование электродинамических устройств с весьма подробным учетом их геометрических и физических параметров. Однако при всем обилии возможностей, предоставляемых этими кодами, достоверность и практическая ценность информации, получаемой в численном эксперименте, в первую очередь определяется корректной постановкой физической задачи. Задача исследователя состоит в формулировке корректных физических условий, не противоречащих модельным ограничениям, и соотнесении получаемых результатов с фундаментальными теоретическими представлениями и результатами реального эксперимента.

Наряду с использованием универсальных электромагнитных кодов, неизменную актуальность сохраняет разработка упрощенных специализированных моделей, и здесь PIC-метод предоставляет большие возможности. Будучи легко совместим, в качестве метода описания потоков заряженных частиц, с различными упрощенными методами описания электромагнитного поля, он может быть применен не только к проблеме формирования и динамики электронных потоков, но и к задачам об их взаимодействии с излучением в приборах различных типов.

Численный эксперимент все больше принимает на себя функции оптимизации при подготовке реальных экспериментов и разработке конструкций устройств сильноточной релятивистской электроники. С другой стороны, он доставляет возможность «заглянуть» внутрь системы, не внося возмущений в ее поведение, помогает выявить наиболее весомые физические факторы, а в дальнейшем и формализовать их в аналитической модели.

Итак, актуальным является развитие методов численного моделирования применительно к задачам релятивистской сильноточной электроники, позволяющих анализировать физические процессы в генераторах мощных импульсов электромагнитного излучения, а также выполнять проектирование экспериментальных конструкций таких устройств и их компонентов.

Цели диссертационной работы.

1. Развитие методов численного моделирования применительно к задачам релятивистской сильноточной электроники.

2. Численное и экспериментальное исследование токовых характеристик сильноточных вакуумных диодов с дискретной поверхностью эмиссии.

3. Численное и теоретическое исследование механизма ограничения длительности импульса излучения релятивистской ЛОВ гигаваттного уровня мощности.

4. Численное моделирование процессов генерации мощных импульсов СВЧ-излучения в системах с виртуальным катодом. Разработка средствами численного эксперимента конструкции двухсекционного виркатора с обратной связью, без магнитного поля, с возможностью управления частотой излучения при постоянных параметрах электронного пучка.

5. Теоретическое, численное и экспериментальное исследование возможности эффективного преобразования мощности сильноточного электронного пучка в мощность сверхкороткого импульса СВЧ-излучения в системе с обратной электромагнитной волной.

6. Решение методами численного эксперимента прикладных задач о формировании наносекундных высоковольтных импульсов генераторах на основе коаксиальных линий и излучения наносекундных электромагнитных импульсов в открытое пространство.

Научная ценность и новизна результатов.

Следующие научные результаты были впервые получены в ходе выполнения настоящей диссертационной работы:

1. В численном расчете определен закон зависимости тока планарного диода с одиночным полусферическим чайлд-лэнгмюровским эмиттером и с периодической структурой таких эмиттеров от радиуса эмиттера. Экспериментально зарегистрирована форма тока в релятивистском вакуумном диоде с одиночным эмиссионным центром при квазипостоянном уровне напряжения.

2. Численно и теоретически исследован механизм прекращения генерации микроволнового излучения в мощной релятивистской ЛОВ на основе наносекундного электронного пучка, связанный с поглощением энергии рабочей волны заряженными частиц, эмитированными из плотной (взрывоэмиссионной) плазмы на поверхности замедляющей системы.

3. С использованием численного моделирования исследованы процессы взаимодействия сильноточного электронного пучка с электромагнитным полем в двухсекционной планарной системе с виртуальным катодом. В численном эксперименте выполнено определение рабочих параметров экспериментальной конструкции гигаваттного двухсекционного виркатора с электродинамической обратной связью.

4. Предложен, теоретически и численно исследован и реализован в эксперименте механизм генерирования сверхкоротких импульсов СВЧ-излучения в режиме пространственного накопления энергии в протяженных существенно неоднородных системах с обратной волной и длительным по сравнению с генерируемым импульсом сильноточным электронным пучком, позволяющий получать импульсы излучения с пиковой мощностью, значительно превосходящей мощность электронного пучка.

5. Выполнено полностью электромагнитное численное моделирование процесса генерации наносекундных высоковольтных импульсов в длинных коаксиальных линиях, в том числе со спиральным внутренним проводником.

6. Выполнено полностью электромагнитное численное моделирование процесса излучения наносекундных импульсов ТЕМ-антенной коаксиального типа.

Научная ценность перечисленных результатов обусловлена тем, что они дают новые знания о физических явлениях, определяющих процессы генерирования мощных импульсов когерентного электромагнитного излучения интенсивными электронными пучками, а также процессы формирования таких пучков в сильноточных вакуумных диодах.

Разработанные в диссертации методика и средства численного моделирования расширяют возможности численного эксперимента в области электродинамики, релятивистской ВЧ электроники, физики пучков заряженных частиц.

Достоверность результатов диссертационной работы.

Достоверность научных результатов, представленных в диссертационной работе, обеспечивается использованием комплексной методики исследования: сочетанием теоретического анализа, численного моделирования, эксперимента, а также успешной реализацией заложенных идей в действующих макетах генераторов мощных импульсов электромагнитного излучения.

Личный вклад автора.

Основная часть результатов, представленных в диссертации, получена автором лично, при консультативной поддержке академика РАН д.ф.-м.н. С. Д. Коровина, которым была поставлена большая часть задач. При изложении результатов, полученных в соавторстве либо заимствованных (приведенных в диссертации для полноты изложения), их авторство указывается отдельно. В частности, решение задачи о токе вакуумного диода с дискретной эмиссионной поверхностью (Глава 1) выполнено в сотрудничестве с к.ф.-м.н. С. Я. Беломытцевым и акад. С. Д. Коровиным, которые дали теоретическое обоснование полученным в расчетах зависимостям (Приложение 3). Анализ особенностей поглощения электромагнитной волны электронной нагрузкой (Глава 2, п. 2.4), а также оценка оптимальной длительности бегущего СВЧ-импульса (Глава 4, п. 4.2.3) проведены акад. С. Д. Коровиным. Экспериментальная часть исследований процессов генерации коротких СВЧ-импульсов в режиме пространственного накопления энергии (Глава 4, п. 4.6) выполнена автором диссертации совместно с А. А. Ельчаниновым.

Практическая ценность работы.

1. Разработанные в диссертации подходы к численному эксперименту в задачах сильноточной электроники и релятивистской СВЧ-электроники с использованием программных средств, как существующих, так и разработанных автором, позволяют облегчить и сделать более целенаправленным проведение натурных экспериментов и конструирование электронных приборов, делают возможным более экономичное использование научных и производственных ресурсов.

2. Полученные в численном моделировании и эксперименте данные о токе взрывоэмиссионных катодов с дискретной поверхностью эмиссии позволили создать экспериментальные макеты катодов, обеспечивающих малую зависимость импеданса рабочей части электронного пучка от разлета катодной плазмы в течение импульса длительностью в несколько десятков наносекунд. Такие катоды в настоящее время используются для генерирования электронных пучков в двухсекционном виркаторе энергия электронов до 1.2 МэВ, ток до 20 кА, длительность импульса до 50 не) и других СВЧ-генераторах без магнитного поля.

3. Результаты численного моделирования процессов генерации СВЧ-излучения в системах с виртуальным катодом позволили разработать экспериментальные макеты двухсекционных виркаторов с электродинамической обратной связью, без внешнего магнитного поля, с рабочими частотами 1.4,2.1, и 2.6 ГГц, пиковой мощностью более 1 ГВт, с возможностью перестройки частоты генерации в пределах ~ 15%.

4. Полученные в работе сведения о механизмах ограничения энергии и длительности импульсов мощных СВЧ-генераторов (релятивистская JIOB, двухсекционный виркатор) определяют требования к технологиям, которые должны быть использованы при изготовлении генераторов для повышения их выходной энергетики, а также эксплуатационные требования для таких генераторов.

5. Результаты численных экспериментов по формированию высоковольтных импульсов в генераторах на основе коаксиальных формирующих линий (в том числе, комбинированных, с внутренними проводниками спирального типа) используются при разработке сильноточных импульсно-периодических ускорителей электронов семейства СИНУС.

6. Результаты численных экспериментов по излучению электромагнитного импульса в открытое пространство с помощью осесимметричной антенны ТЕМ-типа позволили разработать источник импульсов сверхширокополосного излучения субгигаваттной мощности на основе компактного импульсно-периодического генератора высоковольтных импульсов семейства СИНУС.

7. Результаты теоретического и экспериментального исследования процессов генерации коротких СВЧ-импульсов в режиме пространственного накопления электромагнитной энергии позволили определить основные принципы построения СВЧ-генераторов мультигигаваттного уровня мощности на основе электронных ускорителей компактного класса. В ходе выполнения работы был создан источник импульсов 3-см диапазона с пиковой мощностью до 3 ГВт на основе ускорителя СИНУС-200, имеющего массу менее 100 кг. Полученные результаты открывают возможность освоения диапазона мощностей излучения Ю10—10й Вт при использовании уже существующих электронных ускорителей (класса СИНУС-7 и выше).

Результаты работы используются в Институте сильноточной электроники СО РАН, Институте электрофизики УрО РАН, компании ITHPP (International Technologies for High Pulsed Power) и исследовательском центре Gramat (Франция).

Публикация и апробация результатов.

Основные материалы по теме диссертации опубликованы в работах [1а—64а] и докладывались на 24 международных конференциях: 11—15 конференциях по мощным пучкам частиц BEAMS (Прага, Чехия, 1996 г.- Хайфа, Израиль, 1998 г.- Нагаока, Япония, 2000 г.- Альбукерке, США, 2002 г.- Санкт-Петербург, Россия, 2004 г.), 11—13 конференциях по импульсной технике IEEE РРС (Балтимор, США, 1997 г.- Монтерей, США, 1999 г.- ЛасВегас, США, 2001 г.), симпозиумах по мощному электромагнетизму AMEREM—EUROEM (Альбукерке, США, 1996 г.- Тель-Авив, Израиль, 1998 г.- Эдинбург, Великобритания, 2000 г.), конференциях по физике плазмы ШЕЕ ICOPS (Санта Фе, США, 1994 г.- Новый Орлеан, США, 2000 г.), рабочем совещании NATO ARW по современным исследованиям в области разминирования (Москва, Россия, 1997 г.), конференции «Электроника и радиофизика сверхвысоких частот» (UHF-99) (Санкт-Петербург, Россия, 1999 г.), 12 и 13 Международных симпозиумах по сильноточной электронике (Томск, Россия, 2000 г. и 2004 г.), конференции по применению импульсной техники (Гельзенкирхен, Германия, 2001 г.), Ill, IV, V Международных совещаниях «Мощные микроволны в плазме» (Москва — Санкт Петербург, 1996 г.- Нижний Новгород — Саратов, 1999 г.- Нижний Новгород — Пермь, 2002 г.), Рабочем совещании по генерации мощных микроволн и укорочению импульсов (Эдинбург, Великобритания, 1997 г.), Конференции по мощным модуляторам (Голливуд, США, 2002 г.), VIII Межгосударственном семинаре «Плазменная электроника и новые методы ускорения» (Харьков, Украина, 2003 г.).

Структура и объем диссертации

.

Диссертация включает введение, пять глав, заключение, три приложения и список литературы из 222 наименований. Объем диссертации 214 страниц, число рисунков 115.

ОБЩЕЕ ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Перечислим основные результаты диссертационной работы.

1. Разработан и реализован в виде компьютерных программ ряд специализированных нестационарных релятивистских численных моделей на основе метода макрочастиц, предназначенных для расчетов собственной динамики сильноточных потоков заряженных частиц и их взаимодействия с электромагнитными полями: а) Одномерная PIC-модель для исследования динамики сильноточных электронных и ионных потоков в секционированных планарных системах в заданном ВЧ поле и поле собственного объемного заряда, учитываемого в потенциальном приближенииб) Трехмерная потенциальная PIC-модель в цилиндрической системе координат, предназначенная для нестационарного моделирования собственной динамики сильноточного электронного потока в магнетронном диоде. в) Одномерная PIC-модель на основе уравнения возбуждения волновода, предназначенная для моделирования динамических процессов в одномодовых СВЧ-приборах с инерционной группировкой электронов в сильном продольном магнитном поле, с учетом собственного объемного заряда электронного пучка;

2. Экспериментально зарегистрирован импульс электронного тока одиночного взрывоэмиссионного центра в вакуумном коаксиальном диоде с магнитной изоляцией при релятивистском уровне напряжения. Обнаружено, что, несмотря на постоянство напряжения в течение импульса, ток монотонно во времени нарастает и, не испытывая насыщения, достигает величины 3—5 А за время ~ 20 не.

3. В численных расчетах с использованием кода SuperSAM получено выражение для тока электронного пучка в планарном вакуумном диоде с расположенным на катоде уединенным эмиттером полусферической или полуцилиндрической формы, имеющим неограниченную эмиссионную способность и радиус R, малый по сравнению с диодным зазором D. Ток полусферического эмиттера ток на единицу длины полуцилиндрического эмиттера здесь U — величина напряжения в диоде.

Получено полуэмпирическое выражение для тока планарного диода с эмиссионной поверхностью в виде периодически расположенных эмиттеров полусферической формы. Показано, что в этом случае, при условии малости размера эмиттеров по сравнению с расстоянием между ними нерелятивистский характер зависимости тока от напряжения распространяется в область релятивистских максимальных энергий частиц в диоде при условии, что кинетическая энергия, приобретаемая электронами в окрестности эмиттера (с размером порядка его радиуса), является нерелятивистской.

4. Численно подтверждена возможность повышения стабильности импеданса сильноточного вакуумного диода без магнитного поля в течение импульса наносекундной длительности (ослабления зависимости величины импеданса от размеров катодной плазмы) путем использовании планарного катода с эмиссионной поверхностью в виде тонких лезвий, установленных на основании катода перпендикулярно к нему с интервалом, обеспечивающим электростатическую экранировку основания.

5. В численном эксперименте исследован механизм ограничения длительности импульса СВЧ-излучения релятивистской лампы обратной волны гигаваттного уровня мощности.

Аналитически решена задача о собственных числах стартового режима ЛОВ при условии линейного пространственного затухания рабочей волны в замедляющей системе. В нелинейной численной модели исследовано влияние быстро «включающегося» волнового поглотителя (распределенного и сосредоточенного) на процесс генерации ЛОВ. Определена критическая величина поглощения, приводящая к срыву генерации.

Показано, что чисто электронная волновая нагрузка (с током эмиссии, ограниченным объемным зарядом) не может приводить к срыву генерации в релятивистской ЛОВ.

Дана аналитическая и численная оценка максимального декремента затухания волны Е01 в круглом гофрированном волноводе при заданной толщине поглощающего слоя.

Предложен сценарий ограничения длительности импульса излучения мощной релятивистской ЛОВ, согласно которому срыв генерации наступает вследствие диссипации энергии рабочей электромагнитной волны электронами, эмитированными из плотной (взрывоэмиссионной) плазмы на поверхности электродинамической системы в интенсивных ВЧ полях. При этом достижение критической диссипации становится возможной благодаря нейтрализации объемного заряда эмитируемых электронов ионной компонентой эмиссии. В этих условиях длительность импульса излучения генератора определяется временем накопления ионов в объеме его электродинамической системы. Сценарий подтвержден результатами нестационарного моделирования, выполненного с помощью кода KARAT.

6. Численно, с использованием нестационарных моделей на основе Р1С-метода, исследован процесс взаимодействия между электронным потоком с виртуальным катодом и интенсивным ВЧ полем. Показано, что модуляция проходящего и отраженного токов, возникающая в результате изменения кинетической энергии частиц под действием ВЧ поля, способна обеспечить эффективную фазовую сепарацию электронов. Продемонстрировано, что использование двухсекционной электродинамической системы с определенным сдвигом фаз ВЧ поля, при малой надкритичности тока, позволяет за счет эффекта предмодуляции электронного пучка и благоприятного распределения ВЧ поля на траектории электрона достичь более высокой эффективности энергообмена по сравнению с однозазорным случаем (более чем втрое в области напряжений до 1 MB). Найдены оптимальные величины амплитуд полей в секциях и сдвига фаз. Проанализирован вклад пролетных и отраженных частиц в процесс энергообмена. Показана возможность эффективной генерации в генераторе на отраженном потоке.

7. В численном эксперименте с использованием трехмерной декартовой версии кода KARAT выполнен поиск рабочих параметров конструкций двухсекционных виркаторов с электродинамической обратной связью. Показано, что использование резонансной электродинамической системы позволяет обеспечить постоянство частоты генерации в широком диапазоне токов электронного пучка. Предложен способ управления частотой генерации виркатора в пределах 20% за счет варьирования фазовой скорости электромагнитной волны в волноводном резонаторе с изменяемой шириной.

Полученные результаты позволили с использованием сильноточных электронных ускорителей реализовать ряд виркаторов дециметрового диапазона длин волн (частота генерации 1.4, 2.1 и 2.6 ГГц) без внешнего магнитного поля, с пиковой мощностью до 1 ГВт при эффективности генерации до 10%, с возможностью управления частотой генерации в пределах 15%.

8. Численными методами исследованы возможные причины ограничения длительности и энергии импульса излучения двухсекционного виркатора (дрейф параметров электронного пучка в течение импульса, эмиссия заряженных частиц с поверхностей электродинамической системы).

9. Предложен, теоретически обоснован и реализован в эксперименте способ генерирования коротких, в несколько ВЧ периодов, мощных импульсов СВЧ-излучения, основанный на эффекте пространственного накопления энергии в бегущем СВЧ-импульсе при его взаимодействии с длительным встречным сильноточным электронным пучком в существенно неоднородной замедляющей системе, длина которой значительно превышает длину СВЧ-импульса. Показано, что при этом пиковая мощность излучения не ограничена мощностью электронного пучка.

Сформулированы физические условия, необходимые для реализации режима пространственного накопления электромагнитной энергии в солетоноподобном волновом импульсе. Установлено, что необходимая зависимость сопротивления связи пучка с синхронной гармоникой волны от продольной координаты является гиперболической. Показано, что в данном режиме реализуется точный синхронизм между электронным пучком и электромагнитной волной (ВЧ ток сфазировап по центру тормозящей фазы ВЧ поля), что соответствует постоянной, действительной и отрицательной ВЧ проводимости электронного потока. Получено выражение для электрического поля на фронте бегущего импульса в полуограниченной системе.

Дана оценка минимальной длительности формируемого ВЧ импульса, а в численном расчете подтверждено, что она может составлять несколько ВЧ периодов. В идеализированной одномерной нестационарной модели исследована зависимость величины электронного КПД (отнесенной к основному импульсу излучения) от длительности импульса и показано, что она может достигать 40%.

В численном эксперименте с использованием одномерной нестационарной модели, а также осесимметричной версии кода KARAT, определены основные физические факторы, ограничивающие энергию формируемого СВЧ-импульса в системах конечной длины. Показано, что в случае одномерного движения частиц пучка и отсутствии взаимодействия с несинхронными гармониками коэффициент конверсии по мощности может достигать 15, а в условиях реальных электродинамических систем, для трубчатых пучков в конечном ведущем магнитном поле достижима величина конверсии 3—3.5.

В численном эксперименте продемонстрирована возможность и определены условия для генерации последовательности коротких мощных СВЧ-импульсов сильноточным пучком достаточной длительности.

На основе результатов численной оптимизации разработана экспериментальная конструкция генератора с однократным проходом СВЧ-импульса в длинной неоднородной электродинамической системе.

С использованием компактного сильноточного ускорителя электронов получены импульсы СВЧ-излучения 3-см диапазона длин волн с пиковой мощностью ~ 3 ГВт и длительностью ~ 0.65 не, при коэффициенте преобразования мощности электронного пучка в мощность излучения до 180%.

10. Разработана методика нестационарного численного моделирования процессов генерирования высоковольтных импульсов в генераторах на основе коаксиальных формирующих линий с использованием полностью электромагнитного Р1С-кода KARAT. Выполнен расчет дисперсионной характеристики электромагнитной волны в коаксиальной передающей линии с внутренним проводником в виде спирально проводящего цилиндра. С использованием разработанной методики проведены расчет высоковольтного генератора СИНУС-130 с комбинированной линией.

11. Показано, что в генераторе с комбинированной формирующей линией (с центральным проводником, составленным из обычной и спиральной секций) даже при условии согласования волновых сопротивлений обычного и спирального участков линии на формируемом импульсе напряжения наблюдается короткий интенсивный выброс, появление которого связано с локальной неоднородностью волнового сопротивления в месте перехода секций.

12. С использованием осесимметричной версии кода KARAT выполнено численное моделирование процесса излучения монополярных электромагнитных импульсов в открытое пространство с использованием осесимметричной антенны ТЕМ-типа. Определена форма электродов и размеры излучающей антенны, позволяющей излучать импульсы наносекундной длительности с эффективностью по энергии до 80%. Показано, что для антенны оптимальных размеров, при трапецеидальной форме питающего импульса, форма импульса, излученного вблизи максимума кольцевой диаграммы направленности, является биполярной с длительностью около одного цикла. Результаты расчетов позволили на основе компактного импульсно-периодического высоковольтного генератора реализовать источник сверхширокополосных электромагнитных импульсов.

БЛАГОДАРНОСТИ.

Автор отдает дань светлой памяти академика РАН Сергея Дмитриевича КОРОВИНА — научного консультанта диссертационной работы, заведующего Отделом физической электроники Института сильноточной электроники. Без постоянного внимания и поддержки с его стороны, плодотворных и вдохновляющих научных бесед данная работа вряд ли состоялась бы.

Автор признателен академику, вице-президенту РАН Геннадию Андреевичу МЕСЯЦУ, задавшему общее направление его научной деятельности, за внимание к работе и поддержку, а также члену-корреспонденту РАН Михаилу Ивановичу ЯЛАНДИНУ за первый опыт самостоятельной экспериментальной работы в релятивистской сильноточной электронике и последующее сотрудничество.

А также считает своим приятным долгом поблагодарить:

К.ф.-м.н. Святослава Яковлевича БЕЛОМЫТЦЕВА за помощь в теоретической разработке вопросов, связанных с физикой сильноточных электронных пучков.

К.ф.-м.н. Владимира Павловича ТАРАКАНОВА, автора кода KARAT, за долгое и плодотворное сотрудничество и дружескую поддержку.

К.ф.-м.н. Сергея Декабревича ПОЛЕВИНА за сотрудничество в исследованиях СВЧ-генераторов с виртуальным катодом.

Д.ф.-м.н. Владислава Владимировича РОСТОВА за обсуждение вопросов, связанных с генерацией сверхкоротких СВЧ-импульсов.

Антона Александровича ЕЛЬЧАНИНОВА за сотрудничество в исследованиях по генерации сверхкоротких СВЧ-импульсов и увлекательные дискуссии.

Проф. Юрия Дмитриевича КОРОЛЕВА за инициирование исследования установления тока в плоском диоде, существенно облегчившего понимание автором сущности релаксационных колебаний в сильноточном электронном потоке.

Проф. Дмитрия Ильича ПРОСКУРОВСКОГО за обсуждение вопросов, связанных с исследованиями взрывной эмиссии.

Проф. Михаила Ивановича ПЕТЕЛИНА за интерес к исследованию виркаторов и ценные замечания.

Проф. Наума Самуиловича ГИНЗБУРГА за ценные замечания по вопросам генерации сверхкоротких СВЧ-импульсов.

Владимира Петровича ГУБАНОВА, Александра Владимировича ГУНИНА, Сергея Александровича КИЦАНОВА, к.ф.-м.н. Алексея Ивановича КЛИМОВА, Ивана Константиновича КУРКАНА, Олега Петровича КУТЕНКОВА, Алексея Станиславовича СТЕПЧЕНКО, Евгения Марковича ТОТЬМЕНИНОВА, а также всех сотрудников Отдела физической электроники ИСЭ СО РАН — за помощь, сотрудничество и дружескую поддержку.