Наближена нелінійна теорія релятивістських та нерелятивістських автофазних приладів надвисоких частот

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

“КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

ХАМІД АЛЛАХ Мохаммед

УДК 621.385.000

НАБЛИЖЕНА НЕЛІНІЙНА ТЕОРІЯ РЕЛЯТИВІСТСЬКИХ

ТА НЕРЕЛЯТИВІСТСЬКИХ АВТОФАЗНИХ ПРИЛАДІВ НАДВИСОКИХ ЧАСТОТ

Спеціальність 05.27.02 - вакуумна, плазмова та квантова електроніка

Автореферат

дисертацій на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі фізичної і біомедичної електроніки факультету електроніки Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівникдоктор фізико-математичних наук - Белявський Євген Данилович, професор кафедри фізичної і біомедичної електроніки, Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”.

Офіційні опоненти

доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник- Чайка Василь Євгенович, професор кафедри електронних приладів та систем НТУУ “КПІ”,

кандидат технічних наук - Васютiн Віктор Дмитроович, директор підприємства “Оріон-Телеком” (м. Київ)

Провідна організація

Інститут фізики НАН України (м. Київ)

Захист відбудеться 15 вересня 2003 р. о 1500 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.26.002.08 при Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. Київ, пр. Перемоги, 37, навчальний корпус № 12, ауд. 114.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. Київ, проспект Перемоги, 37.

Автореферат розісланий 15 серпня 2003 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д.26.002.08

Канд. техн. наук, професор Писаренко Л.Д.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Автофазні прилади це новий клас потужних електронно-вакуумних приладів, принцип дії яких заснований на явищі захоплювання електронних згустків полем електромагнітної хвилі. На відміну від класичних приладів О-типу (лампа хвилі що біжить ЛБХ-О, лампа зворотньої хвилі ЛЗХ-О) із подовженою взаємодією, робота яких заснована на явищі просторово-часового синхронізму електронів із хвилею що біжить, в автофазних приладах немає синхронізму електронів із хвилею; синхронно з хвилею рухається лише фазовий проміжок, у якому захоплені електрони, що дозволяє одержувати значення електронного ККД близький до 100%.

Високий ККД автофазних приладів - це їхня основна перевага в порівнянні з класичними приладами О-типу, що зумовило постійно зростаючий інтерес до них з боку дослідників і розробників потужних електронних приладів НВЧ (наприклад, автофазний лазер на вільних електронах - релятивістський прилад з рівнем потужності більш ніж 1 Гвт, ККД ~ 50% у діапазоні частот від декількох міліметрів і аж до короткої границі світлового діапазону) покладений в основу створення керованої термоядерної реакції. Планується створити на цій основі термоядерну електростанцію у США до 2030 р. На сьогоднішній день вже розвинута точна нелінійна теорія нерелятивістських автофазних приладів НВЧ, з'ясовані основні фізичні процеси у них, умови повного захоплення згустків електронів, узагальнені експериментальні дані.

У зв'язку з початком практичного освоєння автофазних приладів, виникла задача створення простих інженерних методик розрахунку і проектування цих приладiв, необхідних для початкового етапу розробки приладів з метою скорочення цих термінів і підвищення їхньої ефективності за рахунок зменшення числа експериментальних макетів.

Тема даної дисертації спрямована на рішення цієї задачі і тому є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Науково-дослідні роботи з теми дисертації були проведені в науково-технічному центрі “Сузір'я” за планом пошукових робіт галузі:

- НДР “Розробка принципів побудови систем стиснення відеоімпульсів на засаді явища захоплення згустків полем електромагнітної хвилі” ,державний реєстраційний номер РК №0197 U 0000 22Т;

-НДР “Розробка принципів побудови підсилювачів відеоімпульсів великих та надвеликих потужностей на засаді автофазних приладів НВЧ”, державний номер РК №0197 U 0000 21Т.

Мета і задачі дослідження.

Метою дослідження є створення наближеної нелінійної теорії нерелятивістських і релятивістських автофазних підсилювачів (АЛХВ-Н, АЛВЕ), методик інженерного розрахунку їхніх параметрів і поліпшення на їхній основі характеристик цих приладів.

Для досягнення цієї мети треба вирішити наступні основні задачі: виявити основні риси взаємодії електронів з електромагнітними і комбінаційними хвилями в статичних магнітних полях різної симетрії і форми та на їхній основі максимально спростити рівняння, що описують цю взаємодію так, щоб точність опису не суттєво зменшувалася, але могло бути отримане наближене аналітичне рішення цих рівнянь. Це рішення треба співставити з точними результатами для оцінки придатності наближеної нелінійної теорії.

На основі наближеної нелінійної теорії розроблена методика інженерного розрахунку АЛБХ-Н і АЛВЕ. Наближена нелінійна теорія цих приладів і методика їхнього інженерного розрахунку використовується для поліпшення характеристик АЛБХ-Н і АЛВЕ.

Об'єктом дослідження є автофазні підсилювачі НВЧ (автофазна ЛБХ із несиметричною хвилею - АЛБХ-Н і автофазний лазер на вільних електронах - АЛВЕ).

Предметом дослідження є нелінійна теорія АЛБХ-Н і АЛВЕ і методики розрахунку цих приладiв.

Методи дослідження: аналіз основних рис взаємодії електронів з електромагнітними хвилями в статичних магнітних полях різної симетрії і форми, використання цих рис для спрощення моделей і вихідних рівнянь, рішення спрощених рівнянь за допомогою методу усереднень, застосування отриманих наближених рішень для пошуку більш ефективних режимів роботи, комп'ютерно-графічні методи для оптимального відображення результатів аналізу.

Наукова новизна отриманих результатів.

Уперше побудована наближена нелінійна теорія автофазних приладів НВЧ з азимутально-несиметричною хвилею, що враховує поле об'ємного заряду і розподілені витрати в системі, що сповільнює, на основі якої побудована інженерна методика розрахунку АЛБХ-Н.

Уперше запропонований режим роботи АЛБХ-Н з підвищеною ефективністю, у якому отримане зменшення автофазної секції в 1,5-2,0 рази при незмінному рівні ККД приладу.

Уперше побудована наближена нелінійна теорія автофазного лазерного на вільних електронах, на основі якої побудована інженерна методика розрахунку АЛВЕ.

Сукупність зазначених вище результатів може бути кваліфікована як рішення важливої наукової задачі у вакуумній електроніці НВЧ.

Практична цінність отриманих результатів.

Розроблено інженерну методику розрахунку АЛБХ-Н і АЛВЕ; отримано більш ефективний режим роботи АЛБХ-Н, що дозволяє значно зменшити довжину приладу при незмінному значенні його ККД, ваги та габаритів.

Теоретичні результати дисертації використані на кафедрі фізичної та біомедичної електроніки НТУУ “КПІ” у навчальних курсах “Електроніка НВЧ” і “Вакуумна мікроелектроніка” у лекційних розділах по автофазним приладам і теорії захоплення електронних згустків полем електромагнітної хвилі. Практичні результати використані в двох НДР у НТЦ “Сузір'я”.

Особистий внесок здобувача у праці, виконаний у співавторстві, полягає у наступному: участь у постановці задач і виводу основних рівнянь, формулювання графічних алгоритмів і програм, участь в інтерпретації результатів, участь у написанні й апробації статей.

Апробація результатів дисертації.

Матеріали дисертації доповідалися на 1 міжнародной конференції. Проблеми фізичної та біомедичної електроніки, матеріали дисертації доповідалися і систематично обговорювалися на наукових семінарах кафедри фізичної та біомедичної електроніки в Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут”.

Публікації. Узагальнені наукові результати дисертації опубліковані в 6 роботах (5 статей у реферованих журналах).

Структура та об'єм роботи.

Дисертаційна робота складається із вступу, трьох розділів з висновками та заключної частини, викладених на 102 стор. машинописного тексту, ілюструється 22 малюнками, список літератури з найменувань .

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступній частині показана актуальність теми, сформульована мета роботи, виділені задачі, які необхідно буде вирішити в даній роботі, наведена наукова новизна, практичне значення отриманих результатів, відомості про апробацію роботи.

У першому розділі “Наближена нелінійна теорія нерелятивістських автофазних приладів з азимутально-несиметричним полем” наведений короткий аналіз нелінійних теорій АЛБХ-Н і обрані вихідні нелінійні рівняння, на основі яких будується наближена нелінійна теорія цього приладу.

В основі одержання наближеного аналітичного рішення вихідних рівнянь лежить один з варіантів методу усереднення - метод адіабатичних інваріантів коливального руху, використаний раніше для створення нелінійної теорії АЛБХ із статичним електричним полем і симетричною хвилею, що біжить.

Пряме використання цього методу до нелінійних рівнянь АЛБХ-Н було неможливим через наявність у ньому “дисипативного” члена, що не дозволяє звести рішення задачі до чистого періодичного. Введенням нової незалежної змінної, вихідне рівняння АЛБХ-Н було зведено до рівняння нелінійних коливань в еквівалентному електростатичному полі з повільно мінливими параметрами.

Наближене аналітичне рішення цього рівняння знаходилося шляхом розкладання шуканої змінної в ряди Фур'є по незалежній змінній із застосуванням методу адіабатичних інваріантів коливального руху.

Якщо позначити за допомогою Х фазову координату захопленого електрона в рухливій системі координат

, (1)

де щ - кругова частота;

n - номер азимутально-несиметричної хвилі в системі, що сповільнює, (СС);

t - поточний час;

; z - подовжена координата;

- фазова швидкість хвилі;

,

B(z) - магнітна індукція статичного соленоідального поля (катод екранований від магнітного поля),

- відношення заряду електрона до його маси спокою,

то виходить аналітичне рішення в наступному вигляді:

(2)

Тут - адіабатична фазова координата, що змінюється, “центр” осцилятора, його амплітуда і частота відповідно;

- фаза комплексної амплітуди напруженості електричного поля хвилі, що біжить, причому зв'язані між собою наступною системою алгебраїчних рівнянь:

(3)

,

де і - початкові значення і ;

Е1 і Ее1 - величини, пропорційні амплітудам поля хвилі, що біжить;

Е - величина еквівалентного електростатичного поля;

- функції Беселя.

За допомогою рівнянь (3) отримані умови стійкості руху осцилятора

, (4)

. (5)

При використанні рішення (2), (3) і умов стійкості (4), (5) доводиться, що енергія коливань електронів у захопленому хвилею згустку зростає не швидше, ніж , тобто значно повільніше, ніж енергія ВЧ поля, пропорційна Е2. При цьому ростом енергії коливань осциляторів можна зневажити в порівнянні з ростом енергії ВЧ поля, тому рівняння балансу потужностей виходить у такому ж простому виді, як і в АЛБХ з електростатичним полем і симетричною хвилею:

, (6)

де Е0 - вихідне значення Е, б - параметр розподілених витрат, , опір зв'язку в СС, Р - потік потужності через поперечний переріз СС, І0 - повний струм незбуреного потоку.

Простота отриманого аналітичного наближеного рішення дозволяє розвинути просту методику розрахунку вихідних параметрів АЛБХ-Н з перемінною фазовою швидкістю чи з перемінним фокусуючим магнітним полем у режимі запропонованому раніше і детально дослідженому іншими авторами за допомогою строгої теорії, коли

. (8)

Для цього режиму отримані прості аналітичні формули для коефіцієнта підсилення G(z), електронного ККД () як у розмірних так і безрозмірних перемінних.

Проведено облік впливу поля об'ємного заряду на роботу АЛБХ-Н. Показано, що введення поля об'ємного заряду у вихідні рівняння, як і раніше, допускає отримання простого аналітичного наближеного рішення. Воно відрізняється від рішення (3) тільки тим, що до правої частини першого з рівнянь (3) додається величина

,

де ,

- коефіцієнти депресії, площа ефективного поперечного переріза пучка на частоті щ; е0 - діелектрична проникність (коефіцієнт пропорційності тієї ж, що й в Е1 і Ее1). При цьому умова стійкості (4) замінюється на більш сильне

. (9)

З нього, зокрема, видно, що при - захоплення згустку не можливе, тобто за наявності поля об'ємного заряду існує нижня межа амплітуди поля хвилі, при якому відбувається захоплення електронів. Всі інші висновки і отримані раніше співвідношення, залишаються незмінними.

Для оцінки точності наближеної теорії проведено зіставлення результатів розрахунку і по наближеній і точній теоріях для трьох видів АЛБХ-Н (з перемінним магнітним полем, з перемінною фазовою швидкістю і з одночасним профілюванням В і ).

Наприклад, на рис. 1 наведено залежності електронного ККД () в АЛБХ-Н з перемінним магнітним полем і постійним значенням фазової швидкості в СС, розраховані по точній теорії (суцільні лінії) і по наближеній теорії (штриховані лінії) від нормованої довжини для трьох значень параметра посилення С (С=0,05 - крива 1; С=0,02 - крива 2; С=0,01 крива 3). Штрихпунктирними лініями на рис. 1 нанесено залежності для цих значень С. (Тут С - параметр посилення Пірса, , - швидкість електронів у статичному режимі (точні розрахунки узяті з роботи: Е.Д. Белявский, Т.А. Грязнова // Радиотехника и электроника. 1994 Т. 39. №4. С. 661-665.)). Наближені розрахунки проведені для тих значень безрозмірних параметрів. З проведеного зіставлення показано, що похибка розрахунків за наближеною теорією в області, близької до насичення потужності, не перевищує 5%. На вхідній ділянці автофазної секції похибка вища через неврахування коливальної потужності в балансі енергій; цим же пояснюється відсутність коливань у кривій , що маються в точній теорії і згасають у міру посилення ВЧ-сигнала.

Таким чином, наближена нелінійна теорія АЛБХ-Н і методика розрахунку її параметрів є досить точними і тому можуть бути використані для знаходження більш ефективних режимів її роботи у порівнянні з відомим режимом роботи відповідно до (8).

В другому розділі роботи “Підвищення ефективності автофазної лампи хвилі, що біжить, з азимутально-несиметричним полем” на основі наближеної нелінійної теорії і методики розрахунку АЛБХ-Н вирішується задача підвищення ефективності такого приладу шляхом більш оптимального вибору законів профілювання В, .

Пряме застосування для оптимізації параметрів АЛБХ-Н варіаційних методів можливо тільки з застосуванням ЕОМ такої, яка через наявність умов стійкості згустку у виді нерівностей (4, 5, 9) вимагає застосування принципу максимуму Понтригина для вирішення цієї задачі. При цьому губляться основні позитивні якості наближеної теорії (можливість одержання простих аналітичних співвідношень і фізична наочність отриманих результатів). Тому вирішення задачі пошуку більш ефективних режимів роботи АЛБХ-Н було досягнуто методом фізичної оптимізації, заснованому на аналізі фізичних процесів у приладі. Зокрема, проводиться порівняльний аналіз умов стійкості нелінійних осциляторів у згустку: по точній теорії ці умови були отримані на основі теорії Ляпунова про стійкість (вони дають тільки достатні умови)

; (10)

по наближеній теорії - це співвідношення (4) яке можна записати так

. (11)

Цей аналіз показав, що умова стійкості (11) допускає можливість істотно збільшити темп зростання ВЧ поля хвилі без порушення умов захоплення електронів, якщо покласти

; (12)

при однакових значеннях режим роботи (12) значно ефективніший відомого режиму роботи (8).

У даному розділі побудована нелінійна теорія нового режиму роботи, причому на основі методу розкладання функцій Беселя в ряди Тейлора отримані прості аналітичні рішення нелінійних рівнянь цієї теорії. Важливо, що рішення, отримане в першому розділі для режиму рівняння (8) є частковим випадком рішення, отриманого для нового режиму рівняння (12) у граничному випадку . На основі отриманого наближеного рішення проводиться аналіз фізичних процесів в АЛБХ-Н у новому режимі роботи: зростання ВЧ поля хвилі супроводжується зменшенням амплітуди осциляторів, тобто фазової ширини згустку електронів; у міру посилення ВЧ поля здійснюється компресія захопленого згустку. Зменшення розмірів згустку приводить у свою чергу до збільшення крутості наростання ВЧ поля, тобто до збільшення погонного коефіцієнта підсилення АЛБХ-Н при незмінному рівні електронного ККД на виході приладу.

На основі наближеної теорії нового режиму роботи розвивається методика розрахунку параметрів АЛБХ-Н при профілюванні магнітного поля або фазової швидкості хвилі. Для уніфікації використання методики розрахунку основних параметрів приладу, всі співвідношення записані в безрозмірних перемінних Пірса, прийнятих у класичній теорії ЛБХ. У параметричній формі (як параметр використовується q) отримані аналітичні формули для безрозмірної амплітуди поля хвилі, що біжить

; (13)

коефіцієнта підсилення

(дБ); (14)

польового ККД

. (15)

Електронного ККД (при відсутності розподілених втрат у СС ; d=0), нормованої довжини х (для d=0)

. (16)

і законів профілювання (безрозмірного параметра магнітного поля g(x) і параметра несинхронності Пірса b(х))

. (17)

Ці співвідношення використовуються для кількісного опису ефективності розглянутого режиму роботи АЛБХ-Н.

На рис. 2 приведено залежності величини від нормованої довжини х для різних значень . З цього рисунка видно, що новий режим роботи значно ефективніший режиму роботи рівняння (8) (на рис. 2 режиму роботи рівняння (8) відповідає дотична до кривої на початку координат х=0), особливо для великих ( - це фазова ширина згустку на виході). Видно, що довжину АЛБХ-Н за допомогою нового режиму можна збільшити в 1,5-2,0 рази в порівнянні з режимом (8).

У третьому розділі “Наближена нелінійна теорія релятивістських автофазних приладів НВЧ” проведений стислий аналіз нелінійної теорії авто фазного лазера на вільних електронах (АЛВЕ) і обрані вихідні нелінійні рівняння, на основі яких будується наближена нелінійна теорія цього приладу.

Точна нелінійна теорія АЛВЕ є тривимірною, причому рівняння цієї теорії значно складніше, ніж рівняння АЛБХ-Н. Проведений аналіз, однак, показав, що досить точні результати дає одновимірна нелінійна теорія АЛВЕ, використана в “піонерських роботах” по АЛВЕ (Белявский Е.Д., Гончаров И.А., Силивра А.А. // ЖЭТФ. 1995. т. 108. Вып. 4 (10). С. 1318-1327 і ін.) для висновку умов стійкості згустків електронів у полі комбінаційної хвилі. Рівняння цієї теорії виходять, якщо знехтувати ВЧ розкидом поперечних швидкостей електронів у системі координат, що обертається разом з полем Віглера (поперечного магнітного статичного поля ЛВЕ). Зведені до “початку координат” (за Ляпуновим) підстановкою

,

, (18)

де , c - швидкість світла, - період поля Віглера, , - статична поперечна швидкість електронів, , вони мають такий вигляд:

(19)

.

де , - нормована амплітуда ВЧ потенціалу в хвилеводі.

Математично (з точністю до позначень і коефіцієнтів) вони відрізняються від вихідних нелінійних рівнянь АЛБХ-Н тільки наявністю нелінійності . Аналіз чисельних розрахунків, проведених по точній теорії АЛВЕ показав, що у випадку повного захоплення всіх електронів (це характерно для АЛВЕ) розкид енергій електронів у згустку порівняно невеликий, що дає можливість розкласти функцію в ряд Тейлора по Х2 і обмежиться двома першими членами цього розкладання в рівняннях (19). Спрощене в такий спосіб рівняння для Х, відноситься до того ж класу, що і вихідне рівняння АЛБХ-Н і підстановкою

(20)

формально зводиться до останнього. Далі використовується методика одержання наближеного рішення цього рівняння, викладена в першому розділі. Залишаються колишніми і умови стійкості (з точністю до заміни величини величиною ). При адіабатичній зміні параметрів осцилятора його коливальна енергія також змінюється пропорційно , тобто значно повільніше, ніж енергія ВЧ поля пропорційна ~ і, отже, ростом енергії коливань осциляторів можна зневажити в порівнянні з ростом ВЧ поля при виводі балансу потужностей. Саме рівняння балансу потужності для АЛВЕ вже істотно відрізняється від відповідного рівняння (6) для АЛБХ-Н. Ця відмінність зв'язана з тим, що в АЛВЕ електромагнітне поле у над вимірному хвилеводі збуджується поперечною складовою ВЧ струму пучка, а не її подовжньою складовою, як це було в АЛБХ-Н. У зв'язку з цим не вдається досягти повної аналогії наближених теорій АЛВЕ та АЛБХ-Н і скористатися всіма рівняннями, отриманими в першому розділі. В теорії АЛВЕ існує свій оригінальний шлях побудови наближеної теорії і методики розрахунку.

У точній теорії АЛВЕ електронний ККД з обчислюється по формулі

(21)

де - середнє за період ВЧ коливань значення відносної енергії електронів у згустку. Доведена раніше можливість зневажити виміром енергії електронів у балансі потужностей зводиться при обчисленні з по формулі (21) до заміни величини величиною , що є відносною кінетичною енергією “центрального електрона” у згустку, що рухається синхронно з “початком координат”. (), тобто

(22)

При цьому для амплітуди ВЧ поля в хвилеводі дається співвідношення

(23)

де .

Для величини наводиться рівнянням

, (24)

де необхідно вибирати так, щоб виконувалася умова стійкості (знак “+” береться для побіжного напрямку фокусуючого поля В0, а знак “-” для зустрічного напрямку цього поля).

На основі рівнянь (22-24) побудована інженерна методика розрахунку АЛВЕ для запропонованого в “піонерських роботах” режиму

. (25)

Для цього режиму рівняння (24) розв'язується в квадратурах

, (26)

ККД з обчислюється по формулі (22), а коефіцієнт підсилення

(дБ). (27)

За допомогою цієї методики розрахунку було проведено зіставлення результатів по наближеній і точній теоріях. Результати зіставлення приведені на рис.3 - рис.4 .

На рис.3 приведена залежність нормованого поля Віглера від безмірної довжини Z для трьох значень параметра ж (1 - ж=0,01; 2 - ж=0,04; 3 - ж=0,07, узяті з цитуємої вище “піонерської роботи”). Відповідно рис.4 для цих трьох значень параметра ж приведено залежність ККД з від безрозмірної довжини Z (суцільні лінії - по точній теорії, переривчасті лінії - по наближеній теорії). Видно, що ККД по зазначених теоріях добре погоджується один з одним (з точністю до осциляцій, зв'язаних з знехтуванням зміною коливальною енергією електронів).

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

прилад автофазний електронний вакуумний

Уперше побудована наближена нелінійна теорія автофазних приладів НВЧ з азимутально-несиметричною хвилею, що враховує поле об'ємного заряду і розподілені утрати хвилі в СС. Зіставлення розрахунків параметрів АЛБХ-Н по наближеній теорії з точними результатами підтвердило досить високу точність наближеної теорії.

На основі наближеної теорії АЛБХ-Н запропонована інженерна методика розрахунку таких приладів.

Уперше запропонований режим роботи АЛБХ-Н з підвищеною ефективністю.

Розроблено наближену нелінійну теорію нового режиму роботи та інженерну методику розрахунку параметрів АЛБХ-Н у цьому режимі.

Проведено аналіз роботи АЛБХ-Н у новому режимі і зіставлення результатів розрахунку параметрів підсилювача в такому режимі з відповідними параметрами в класичному режимі. Цей аналіз підтвердив більш високу ефективність нового режиму роботи: довжина автофазної секції АЛБХ-Н зменшена в 1,5-2 рази при незмінному рівні ККД приладу.

Уперше розвинута наближена нелінійна теорія автофазного лазера на вільних електронах АЛВЕ, проведена оцінка точності цієї теорії шляхом зіставлення з точними результатами, що підтвердило досить високу точність наближеної теорії.

На основі наближеної теорії АЛВЕ розроблена інженерна методика розрахунку цього релятивістського приладу. Отримані наближені аналітичні співвідношення для розрахунку його основних параметрів (амплітуди ВЧ - поля, ККД і коефіцієнта підсилення).

МАТЕРІАЛИ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНО В РОБОТАХ

1. Волхова Т.Л., Хамид Аллах Мохаммед. Аналитическая теория автофазной ЛБВ с несимметричной волной с учетом поля объемного заряда. Электроника и связь. 2000. Т.1. №1. с.58-62.

2. Хамид Аллах Мохаммед. Аналитическая теория усилителя с захватом электронных сгустков полем неоднородной азимутально-несимметричной волны.// Электроника и связь 1999. №6. Т.1. С.83-85.

3. Хамид Аллах Мохаммед. Методика аналитического расчета автофазной ЛБВ с неоднородным магнитным полем.// Электроника и связь. 1999.№6.Т.1. С.86-88.

4. Волхова Т.Л., Хамид Аллах Мохаммед. Аналитическая теория автофазной ЛБВ с несимметричной волной с учетом поля объемного заряда//Электроника и связь. - 2000.-Т.1,-№8. - с.58-62.

5. Белявский Е.Д. Хамид Аллах Мохаммед Приближенная нелинейная теория автофазного лазера на свободны электронах. Известия высших учебных заведений серия “Радиоэлектрника”. - 2000.-Т.45 №5 с.-35-41.

6. Хамид Аллах Мохаммед методика расчета выходных параметров автофазной ЛБВ с азимутально-несимметричной волной //Электроника и связь. - 2002.,№14. - с.39-41.

АНОТАЦІЯ

Хамід Аллах Мохаммед. Наближена нелінійна теорія релятивістських та нерелятивістських автофазних приладів надвисоких частот. -Рукопис.

Дисертація на отримання ученого ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.27.02 вакуумна, плазменна і квантова електроніка. Національний технічний університет України “КПІ”, Київ 2003.

Дисертація присвячена створенню наближеної нелінійної теорії та інженерних методів розрахунку автофазних приладів НВЧ - нового класу електронно-вакуумних потужних нерелятивістських і релятивістських приладів НВЧ, в основу роботи яких покладене явище повного захоплення електронів полем електромагнітної хвилі.

За допомогою аналізу фізичних процесів виділені основні риси взаємодії в автофазних лампах хвилі, що біжить, з азимутально-несиметричним полем (АЛБХ-Н) і в автофазних лазерах на вільних електронах (АЛВЕ). Збереження тільки цих рис у математичному описі цієї взаємодії дозволило різко спростити вихідні рівняння руху і ВЧ - поля. Спрощені рівняння розв'язувалися з використанням різних варіантів методу усереднення. Отримані прості аналітичні рішення які лягли в основу наближених нелінійних теорій АЛБХ-Н і АЛВЕ. На основі цих теорій були розвинуті інженерні методики розрахунку основних параметрів цих приладів. Проведено зіставлення результатів по наближених теоріях із точними даними, що підтвердило досить високу точність наближених розрахунків. Висока точність розрахунків по наближеній теорії дозволила на її основі запропонувати новий режим роботи АЛБХ-Н, значно більш ефективний, ніж відомий класичний режим роботи (довжина приладу в новому режимі зменшена 1,5-2 рази в порівнянні з його довжиною в класичному режимі при незмінному рівні ККД приладу).

Ключові слова: автофазні прилади; автофазна лампа хвилі, що біжить; автофазний лазер на вільних електронах, захоплення згустків, наближена теорія, методика розрахунку.

АННОТАЦИЯ

Хамид Аллах Мохаммед. Приближенная нелинейная теория релятивистских и нерелятивистских автофазных приборов сверхвысоких частот. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.27.02 - вакуумная, плазменная и квантовая электроника, Национальный Технический Университет Украины “КПИ”, Киев 2003.

Диссертация посвящена созданию приближенной нелинейной теории и инженерных методов расчета автофазных приборов СВЧ - нового класса электронно-вакуумных мощных нерелятивистских и релятивистских приборов СВЧ, в основу работы которых положено явление полного захвата электронов полем электромагнитной волны.

При помощи анализа физических процессов выделены основные черты взаимодействия в автофазных лампах бегущей волны с азимутально-нессиметричным полем (АЛБВ-Н) и в автофазных лазерах на свободных электронах (АЛСЭ). Сохранение только этих черт в математическом описании этого взаимодействия позволило резко упростить исходные уравнения движения и ВЧ- поля. Приближенные уравнения решились с использованием различных вариантов метода усреднения. Получены простые аналитические решения, которые положены в основу приближенных нелинейных теорий АЛБВ-Н и АЛСЭ. При помощи этих теорий были развиты инженерные методы расчета основных параметров этих приборов. Проведено сопоставление результатов, полученных по приближенным теориям, с точными данными, что подтвердило достаточно высокую точность расчетов приближенных результатов. Высокая точность расчетов по приближенной теории позволила на ее основе предложить новый режим работы АЛБВ-Н, значительно более эффективный, чем известный классический режим работы (длина прибора в новом режиме уменьшена в 1,5-2 раза по сравнению с его длиной в классическом режиме при неизмененном уровне КПД прибора).

Ключевые слова: автофазные приборы, автофазная лампа бегущей волны, автофазный лазер на свободных электронах, захват сгустков, приближенная теория и методика расчета

SUBSTRACT

Hamid Allah Mohammed . The approximate nonlinear theory of relativistic and non relativistic autophase devices of superhigh frequencies. - Manuscript.

The thesis of dissertation for a Condidate's degree in Technical Sciences on speciality 05.27.02 - “vacuum, plasma and quantum electronics”. National Technical University of Ukraine "KPI", Kiev 2003.

The dissertation is devoted to create an approximate nonlinear theory and engineering methods for calculating autophase devices of superhigh frequencies - a new class of electron-vacuum powerful relativistic and non relativistic devices of superhigh frequencies in which basis of work the phenomenon of full capture electrons a field of an electromagnetic wave.

By means of the analysis of physical processes the basic features of interaction in autophase lamps of a progressing wave with azimutally nonsymmetric field (ATWT) and in autophase lasers on free electrons (AFEL) are allocated. Preservation only these features in the mathematical description of this interaction has allowed to simplify sharply the initial equations of movement and high frequencies fields. The approximated equations were solved with use of various variants of a method of averaging. Simple analytical decisions which are based approximated nonlinear theories ATWT and AFEL are received. By means of these theories engineering methods of calculation of key parameters of these devices have been advanced. Comparison of the results received under approximated theories, to the exact data that has confirmed high enough accuracy , the calculations of approximated results is lead. High accuracy of calculations under the approximated theory has allowed to offer on its basis new operating mode ATWT, considerably more effective, than a known classical operating mode (the length of the device in a new mode is reduced in 1,5-2 times in comparison with its length in a classical mode without changed level of efficiency of the device).

Keywords: autophase devices, autophase lamp of progressive wave, autophase free electrons laser, bunch capture, approximate theory and calculating method.

Размещено на Allbest.ru

...