Формування та транспортування нерелятивістських електронних потоків для приладів та пристроїв на магнітогальмівному випромінюванні

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ РАДІОФІЗИКИ ТА ЕЛЕКТРОНІКИ ім. О.Я. УСИКОВА

ФОРМУВАННЯ ТА ТРАНСПОРТУВАННЯ НЕРЕЛЯТИВІСТСЬКИХ ЕЛЕКТРОННИХ ПОТОКІВ ДЛЯ ПРИЛАДІВ ТА ПРИСТРОЇВ НА МАГНІТОГАЛЬМІВНОМУ ВИПРОМІНЮВАННІ

01.04.04 - фізична електроніка

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

Кулешов Олексій Миколайович

Харків - 2010

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова Національної академії наук України

Науковий доктор технічних наук, керівник: старший науковий співробітник Єфімов Борис Петрович (Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України, м. Харків, провідний науковий співробітник відділу вакуумної електроніки).

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор, член кореспондент НАН України Ваврів Дмитро Михайлович (Радіоастрономічний інститут НАН України, м. Харків, завідувач відділу мікрохвильової електроніки);

доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Кушнір Володимир Абрамович (НДК «Прискорювач» Національного наукового центру «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України, м. Харків, начальник лабораторії дослідження і розробок високочастотних інжекторних систем лінійних прискорювачів електронів).

Захист відбудеться « 08_» квітня 2010 р. о 1630 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.157.01 Інституту радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України за адресою: вул. Ак. Проскури 12, Харків, 61085.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституту радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України за адресою: вул. Ак. Проскури 12, Харків, 61085.

Автореферат розісланий « 03 » березня 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Л.А. Рудь.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

електрон магнітний щільний нерелятивістський

Актуальність теми. Джерелами та підсилювачами електромагнітного випромінювання в міліметровому і субміліметровому діапазонах є прилади, що базуються на використанні індукованого черенковського (лампа зворотної хвилі (ЛЗХ), лампа біжної хвилі (ЛБХ), магнетрон), дифракційного (генератор дифракційного випромінювання, оротрон), індукованого перехідного (клістрони) та індукованого циклотронного (мазер на циклотронному резонансі (МЦР)) випромінювань. Енергія електромагнітного поля в таких приладах черпається з активного середовища, що являє собою потоки вільних електронів.

В теперішній час актуальною задачею є збільшення частоти коливань генерації до декількох терагерців. Однак прилади, які базуються на індукованому черенковському, дифракційному й індукованому перехідному випромінюваннях, потребують сповільнюючих структур з періодом порядку довжини хвилі й електродів з такими ж розмірами, що обмежує їх використання вже на початку субміліметрового діапазону. Частота циклотронного випромінювання прямо пропорційна значенню застосованого магнітного поля, що також обмежує використання гіроприладів у діапазонах вище субміліметрового. В теперішній час йде активна розробка МЦР на гармоніках циклотронної частоти, що дозволяє скоротити довжини хвилі при тих же значеннях магнітних полів. Також є актуальним питання зменшення прискорювальних напруг гірорезонансних приладів.

У переліку короткохвильових джерел електромагнітного випромінювання особливе місце займає лазер на вільних електронах (ЛВЕ), у якому релятивістські електрони, що пролітають ондулятори, генерують електромагнітне випромінювання з унікальними властивостями, яке зветься ондуляторним. Відносно простий вид траєкторій руху електронного потоку й простота конструкції ЛВЕ використовуються багатьма дослідниками для побудови аналогічних малопотужних приладів у низьковольтній області прискорювальних напруг порядку декількох десятків кіловольт. Такі нерелятивістські прилади можуть з успіхом конкурувати з ЛЗХ міліметрового та субміліметрового діапазонів хвиль за такими параметрами як смуга перестроювання, рівномірність амплітудно-частотної характеристики, малої собівартості та довговічності. Підтвердженням цього є надвисокочастотний (НВЧ) прилад на прискорювальні напруги до 150 кВ, розроблений Філіпсом, який назвав його убітроном, що класифікується як слабко релятивістський ЛВЕ у режимі великої амплітуди накачки.

Виходячи з наданого вище огляду методів генерування, з'являється можливість використання властивостей магнітогальмівного випромінювання електронних потоків, що рухаються криволінійно, з метою побудови нерелятивістських джерел короткохвильових діапазонів. Розробка та побудова джерел звичайно проводиться в три етапи: розрахунок і побудова системи генерації та формування електронного потоку з заданими параметрами (емітер, електронно-оптична і магнітна фокусуюча системи), вибір електродинамічної структури для взаємодії електронних потоків з електромагнітними хвилями та виводу енергії (резонатори, хвилеведучі структури) й оптимізація параметрів розроблених приладів. Тому дослідження процесів формування, транспортування та випромінювання інтенсивних нерелятивістських електронних пучків, що рухаються в адіабатичних зростаючих магнітних полях або просторово-періодичних магнітних системах, які розглядаються як перший етап побудови джерел, є важливим й актуальним.

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

Дисертацію виконано у відділі вакуумної електроніки ІРЕ ім. О.Я. Усикова НАН України в рамках держбюджетних науково-дослідних робіт: “ Електродинаміка відкритих структур і розробка джерел та радіосистем, в тому числі шумових, міліметрового та субміліметрового діапазонів” (шифр “Старт”, номер держреєстрації 0100U006442), “Електродинаміка складних відкритих резонансних систем та періодичних структур, розробка широкодіапазонних джерел електромагнітного випромінювання міліметрового діапазону” (шифр “Старт-1”, номер держреєстрації 0103U002259) й “Електродинаміка відкритих резонансних систем та періодичних структур із композитними матеріалами; розробка когерентних джерел і вимірювальних пристроїв міліметрового та субміліметрового діапазонів електромагнітних хвиль” (шифр “Старт-2”, номер держреєстрації 107U001082). Автор є одним з виконавців цих робіт, і його науковий внесок відображено у дисертації.

Мета і завдання дослідження. Метою даної дисертаційної роботи є виявлення фізичних особливостей процесів формування та транспортування щільних нерелятивістських потоків електронів з криволінійними траєкторіями в магнітних полях складної форми, а також встановлення закономірностей руху та випромінювання гвинтових електронних пучків у залежності від параметрів сил просторового заряду та магнітних пасток, що утворюються в місцях згущення силових ліній магнітних полів. Для досягнення цієї мети було розглянуто наступні наукові задачі:

· Розробка та побудова для експериментальних досліджень просторово-періодичних магнітних систем зі змінною повздовжньою компонентою магнітного поля, ондуляторної магнітної системи, а також магнітної системи з ділянкою адіабатичного зростаючого магнітного поля.

· Побудова аналітичної теорії руху нерелятивістських електронів у просторово-періодичних магнітних системах ондуляторного типу: розробка математичної моделі і проведення траєкторного аналізу руху електрона в таких магнітних системах.

· Експериментальне вивчення процесів формування й транспортування щільних нерелятивістських електронних пучків у вказаних магнітних системах.

· Експериментальне й теоретичне оцінювання випромінювальних властивостей щільних електронних потоків в магнітостатичних полях складної форми.

· Розробка та дослідження низьковольтної адіабатичної магнетронно-інжекторної гармати та магнітної системи для низьковольтного мазера на циклотронному резонансі.

Об'єктом дослідження є нерелятивістський електронний пучок, що рухається в магнітних полях складної форми.

Предметом дослідження є процеси формування, транспортування та випромінювання щільних нерелятивістських електронних пучків в просторово-періодичних й адіабатичних зростаючих магнітних полях.

Методи дослідження. Розв'язання рівняння руху електрона у схрещених магнітостатичних полях для траєкторного аналізу проводилося чисельно методом Рунге-Кутта. Експериментальне дослідження траєкторії руху щільних нерелятивістських електронних потоків в просторово-періодичних магнітних полях проводилось методом фотографування світіння збудженого залишкового газу. Експериментальне дослідження якості сформованого порожнистого гвинтового електронного пучка проводилося класичним методом збудження коливань в пристроях типу ЛЗХ, ЛБХ.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у тому, що:

Ш Експериментально отримано умови вводу й транспортування щільного нерелятивістського електронного потоку в магнітній системі типу ондулятора Моца в присутності провідного магнітного поля. Вперше знайдені оптимальні співвідношення між повздовжньою та поперечною компонентами індукцій магнітного поля, що забезпечують максимальну амплітуду відхилу електронного потоку від осі системи за умов його повного проходження крізь простір взаємодії.

Ш Експериментально отримано спонтанне випромінювання щільного нерелятивістського електронного потоку, що рухається в магнітній системі типу ондулятора Моца в присутності провідного магнітного поля. Вперше експериментально отримано залежність амплітуди шумового сигналу електронного потоку від співвідношення індукцій повздовжнього й ондуляторного полів.

Ш У результаті аналітичного розв'язання задачі руху електрона в реверсивній магнітній періодичній системі отримано вираз для дрейфу провідного центру електрона, що визначає зони проходження і непроходження електрона крізь систему у залежності від параметрів реверсивних зон магнітних періодичних фокусуючих систем (МПФС).

Ш Експериментально отримано когерентне випромінювання за умов взаємодії порожнистого гвинтового електронного потоку, який сформовано гарматою Кайно, з полем поверхневої хвилі циліндричної сповільнюючої системи. На основі отриманих результатів разроблено низьковольтну магнетронно-інжекторну гармату для низьковольтного МЦР.

Ш Експериментально знайдені режими вводу гвинтового електронного потоку в адіабатичне зростаюче магнітне поле для пучків з різною щільністю просторового заряду. Теоретично и експериментально, шляхом підбору адіабатичного зростаючого магнітного поля, знайдено режими з метою отримати максимальний пітч-фактор і зменшення впливу магнітної пастки.

Практичне значення одержаних результатів. Отримані у процесі виконання дисертаційної роботи результати з формування та транспортування нерелятивістських електронних потоків в магнітних полях складної форми можуть бути використані при розробці низьковольтних джерел електромагнітних коливань. Отримані аналітичні рівняння руху електронів в магнітних періодичних фокусуючих системах можуть бути використані у розв'язанні задач формування електронних потоків в різноманітних електронних приладах і технологіях.

Запропоновано універсальну лабораторну магнітну систему, що дозволяє розробляти та тренувати гірорезонансні прилади й пристрої на основі ондуляторно - циклотронної взаємодії.

Особистий внесок здобувача. Викладені в дисертації результати були отримані самостійно або при його особистій участі. В роботах, які були опубліковані у співавторстві, їм було зроблено такий внесок. В роботах [1-7] здобувач брав участь у постановці та проведенні експериментальних досліджень; в роботах [1, 3, 5, 7] брав участь в розробці теоретичних підходів для траєкторного аналізу, а також у пошуку аналітичного виразу для дрейфу провідного центру електрону; в роботах [2, 4] провів розрахунок дисперсії сповільнюючої системи ондулятора та брав участь у розрахунку швидкостей повільної та швидкої хвиль просторового заряду; в роботі [5] брав участь в розробці магнітної системи, що дозволяє тренувати та настроювати гірорезонансні прилади з можливістю зменшення ефекту магнітного дзеркала; в роботах [6, 7] брав участь у розрахунках траєкторій руху електрона у схрещених полях.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи за темою дисертації доповідалися й обговорювалися на Харківських молодіжних конференціях 2002 - 2006 рр. і таких міжнародних конференціях: 25th Int. Conf. on Infrared & Millimeter Waves, Beijing, China, 2000 (2 доповіді); 27th Int. Conf. on Infrared & Millimeter Waves, San Diego, USA, 2002; 12th Int. Conf. on Microwave and Telecommunication Technology, CriMiCo, Sevastopol, Ukraine, 2002; 28th Int. Conf. on Infrared & Millimeter Waves, Otsu, Japan, 2003; 13th Int. Conf. on Microwave and Telecommunication Technology, CriMiCo, Sevastopol, Ukraine, 2003; 29th Int. Conf. on Infrared & Millimeter Waves, Karlsruhe, Germany, 2004 (2 доповіді); Int. Conf. on Mathematical Methods in Electromagnetic Theory, Dnepropetrovsk, Ukraine, 2004; Int. Conf. on Mathematical Methods in Electromagnetic Theory, Kharkov, Ukraine, 2006; 8th IEEE International Vacuum Electronics Conference, Kitakyushu, Japan, 2007; Int. Symposium on Physics and Engineering of Millimeter and Submillimeter Waves, Kharkov, Ukraine, 2007.

Результати роботи за темою дисертації також доповідались і обговорювались на науково - кваліфікаційному семінарі «Радіофізика та електроніка міліметрових та субміліметрових хвиль» в ІРЕ ім. О.Я. Усикова НАН України.

Публікації. Результати дисертації опубліковано у 17 наукових роботах, у тому числі в 7 статтях у наукових журналах [1-7] і в 10 доповідях міжнародних конференцій [8-17].

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, переліку умовних позначень, чотирьох розділів, висновків і списку використаних джерел. Її повний обсяг складає 133 сторінки, з них 104 сторінки основного тексту. Дисертація містить 50 рисунків (з них 4 на 4 окремих сторінках) і 1 таблицю. Список використаних джерел на 12 сторінках нараховує 112 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність обраної теми, сформульовано мету і задачі дослідження, наведено загальну характеристику дисертації.

Розділ 1 присвячений огляду літератури за темою роботи. У розділі представлено огляд основних типів мікрохвильових джерел, а також принципів, на яких вони будуються, особливостей конструкцій та напрямків подальшого розвитку. Також розглянуто МПФС й ондуляторні магнітні системи електронно-вакуумних приладів. У розділі розглянуто електронно-оптичні системи, що використовуються для формування циклотронного й ондуляторного руху електронних потоків.

На основі аналізу всього набору існуючих літературних даних сформульовано основні задачі дослідження та обґрунтовано методи їх розв'язання.

Розділ 2 присвячено дослідженню криволінійного руху нерелятивістських електронних потоків, що формуються періодичною системою постійних магнітів з зустрічним включенням. В такій МПФС магнітна індукція в області реверса є меншою, ніж в області однорідного поля, і, проходячи цю область, сфокусований пучок відчуває значне збурення, істотно підвищуючи прискорення частинок й одночасно змінюючи напрямок свого обертання.

У першому підрозділі сформульовано задачу й описано запропоновані методи дослідження.

У другому підрозділі для побудови більш повної теоретичної моделі МПФС було експериментально вивчено розподіл повздовжньої та поперечної складових індукції магнітного поля для двох типів шайб: з отвором і без нього.

Проведені експериментальні дослідження магнітних полів МПФС, що складені з самарій-кобальтових шайб з послідовним і реверсивним включеннями, показали, що, знаючи розподіл повздовжньої и поперечної компонент магнітного поля кожної шайби, можливо легко розрахувати магнітне поле всієї системи. Наприклад, для шайб з діаметром 55 мм и товщиною 7 мм, що розташовані періодично на відстані 6 мм, отримані експериментально й розраховані значення повздовжньої компоненти. З графіків видно повний збіг розрахованих й експериментальних характеристик.

У третьому підрозділі теоретично досліджено рух електрона в МПФС, що складена з постійних магнітів з зустрічним включенням.

Отримано аналітичні вирази, що описують рух електрона у такій системі, для двох видів розподілу повздовжньої компоненти магнітного поля:

- кусково-лінійний розподіл, що схематично зображено на рис. 1б.

(1)

,

де ,

- коефіцієнт, що визначає ухил зміни магнітного поля, наприклад, для ділянки маємо ;

- розподіл по синусоїдальному закону

,

(2)

,

де , , є співвідношення поперечних компонент початкової швидкості електрона, а - початковий кут вльоту.

В результаті траєкторного аналізу визначено зони проходження і непроходження електронів крізь МПФС, визначено параметри МПФС і кути вльоту для максимальної амплітуди криволінійного руху електронів за умови їх повного проходження крізь систему.

У четвертому підрозділі розглянуто явища граничного току й магнітної електронної пастки. Зокрема, перехідну область, у котрій відбувається реверс пучка, запропоновано розглядати як магнітну пастку (магнітну пробку), в якій за визначених умов відбувається процес відбиття електронів.

П'ятий підрозділ присвячено формуванню та транспортуванню електронних потоків в МПФС з реверсом. Експериментальне спостереження формування електронних потоків у каналі МПФС відбувалося шляхом фотографування траєкторії руху пучка внаслідок світіння залишкових газів (тиск в макеті був порядку 10-5 мм рт. ст.)

Поведінку електронного пучка у зоні збігу магнітного поля (магнітної пастки). Параметри МПФС могли конструктивно змінюватися у ході експерименту: магнітні шайби системи можна було включати як у схемі з реверсом поля, так і без нього. Конструкція допускала змінення періоду системи фокусування, що було важливо для аналізу поведінки електронного пучка в області реверса. В зоні збігу магнітного поля різко зростає енергія поперечного руху електронного потоку.

Випромінювальні властивості електронних потоків досліджено на вимірювальній установці з чутливістю приймальної апаратури порядку 1 мВ/см в умовах тиску залишкових газів в макеті на рівні 10-8 мм рт. ст. На рис. 3 представлено осцилограму шумового випромінювання електронного пучка. Як видно, потужність випромінювання коливається у часі, тому що випромінювання є спонтанним, оскільки в системі немає зворотного зв'язку.

Розділ 3 присвячено дослідженню руху циліндричних щільних нерелятивістських електронних пучків в моделі ондулятора Моца, що розміщено в повздовжньому магнітному полі. Ця модель дозволяє реалізовувати траєкторію руху електрона близьку до систем типу МЦР й убітрон. В процесі руху електронів в такій моделі зі схрещеними Н-полями можлива інтенсивна взаємна «перекачка» енергії частинок з поперечного руху в повздовжнє та навпаки. Складна динаміка поведінки електронів в таких полях гарантує набір вищих гармонік циклотронних частот, на яких з'являється можливість інтенсивного випромінювання у випадку малих магнітних полів і прискорювальних напруг. Змінюючи швидкість електронного пучка та співвідношення , можна впливати на параметри випромінювання.

У першому підрозділі розглянуто теоретичну модель руху електронів в ондуляторі Моца, що розміщено в повздовжньому магнітному полі. З рівняння руху у випадку параксіального наближення та порівняно слабкого магнітного поля отримано інтегро-диференційне рівняння для повздовжньої координати:

, (3)

де , , , - період поперечного магнітного поля, - постійні амплітуди, точка вльоту вважається x=0, а простір взаємодії займає область x. З отриманої системи рівнянь чисельно методом Рунге-Кутта з автоматичною зміною шагу були розраховані проекції координат руху електрона, проекції його швидкості та прискорення у залежності від параметрів а и е, що характеризують швидкість електрона на вході в ондулятор і співвідношення поперечної и повздовжньої складових магнітного поля. Діапазон змін а був від 0,5 до 1, що відповідає прискорювальним напругам 1-10 кВ. Параметр е лежав у межах 0,1-0,5. Максимальне значення було 500-600 гс, а - від 0 до 4000 гс.

У другому підрозділі розглянуто динаміку руху електрона в схрещених магнітостатичних полях за результатами траєкторного аналізу. З аналізу отриманих траєкторій випливає, що у разі постійної абсолютної швидкості електрона та з ростом поперечної компоненти магнітного поля , росте просторова амплітуда його руху, а сама форма траєкторії істотно деформується, що трохи нагадує гармонійне коливання. Такий рух електрона може бути з успіхом використано в реальних приладах для генерування хвиль на вищих гармоніках циклотронної частоти. Навпаки, ріст повздовжньої компоненти магнітного поля знижує амплітуду поперечного руху, а форма траєкторії наближається до гармонійної.

Цей режим вигідно використовувати для одночастотного режиму збудження. Значна деформація траєкторії електрона може бути пов'язана з тим, що крім швидких рухів заряджених частинок в неоднорідних магнітних полях, існує повільний дрейф.

У третьому підрозділі проведено експериментальне дослідження формування, транспортування і випромінювання циліндричного нерелятивістського електронного потоку в моделі ондулятора Моца за умов присутності провідного магнітного поля. Два ряди плоскопаралельних пластин з зустрічною поляризацією (як показано стрілками на рис. 4) являли собою модель ондулятора Моца. Пластини були виконані з інтерметалічних сполук з рідкоземельними елементами типу SmCo5, що мають значну магнітну енергію (BH), яка досягає значень 100-150 Тл·кА/м. Період ондулятора 10 мм, кількість періодів складала 4. Ширина прольотного зазору 10 мм. Величина поперечного магнітного поля у ньому - 500-600 Гс. Загальна довжина ондулятора разом з узгоджуючими пристроями для вводу електронного пучка була 50 мм. Прилад, що являв собою електронну гармату, трубку дрейфу з колектором та ондулятором, було розміщено в зазорі між полюсами електромагніта в однорідному повздовжньому магнітному полі, значення якого можна було змінювати від нуля до 4 кЕрстед. Таким чином в експерименті можна було змінювати магнітний параметр в межах від декількох одиниць до 0,125. Електронну гармату (це діод в магнітному полі) було виготовлено на базі L-катода с вольфрамовою пористою поверхнею, що забезпечила щільність струму в електронному промені не менш 5 А/см2. В робочих режимах первеанс пучка (характеристичний опір електронного пучка) склав 5·10-6А/В3/2. Прискорювальна напруга змінювалася в межах від нуля до 10 кВ (v = 0,1-0,2 c), струм пучка не перевищував 100 мА.

Фокусування пучка та характер його руху фіксувались на фотоплівку. На рис. 5 представлені фотографії траєкторій руху електронного пучка для декількох значень параметра Е.

Спонтанне випромінювання електронного пучка приймалося дипольною антеною сантиметрового діапазону та реєструвалось приймальною апаратурою. У діапазоні прискорювальних напруг до 6 кВ на екрані осцилографа було отримано декілька мікрохвильових резонансів, що проявлялися у вигляді різкого зростання (в 10-50 разів) амплітуди шумового сигналу у відношенні до нерезонансного випадку.

Залежність амплітуди спонтанного випромінювання від співвідношення ондуляторної і повздовжньої компонент індукцій магнітного поля.

В четвертому підрозділі розглянуто ондулятор з керованою повздовжньою компонентою магнітного поля для дослідження ефектів розсіяння хвиль просторового заряду на неоднорідностях електронного пучка за умов ефекту Вавилова - Черенкова. Цей ефект має місце, коли повздовжня швидкість електронного потоку, що рухається криволінійно, співпадає з фазовою швидкістю однієї з повільних просторових гармонік електродинамичної системи ондулятора.

П'ятий підрозділ присвячено аналізу випромінювання електрона, що рухається в аксіально-симетричному магнітному полі. З рівняння руху електрона у формі Лагранжа для синусоїдального розподілу повздовжньої компоненти магнітного поля приходимо до рівняння Матьє. З рівняння Матьє для "радіуса кривизни" траєкторії електрона в точках та для кутової складової швидкості електрона отримано:

і (4)

де - параметр магнітного поля, - кут намотування траєкторії електрона на силову лінію поля.

Заряджена частинка, що рухається у зовнішньому електромагнітному полі, сама утворює електромагнітне поле, з яким потім взаємодіє.

Результатом такої взаємодії є гальмування електрона та втрата їм кінетичної енергії, що переходить в енергію випромінювання. В нерелятивістському випадку за відсутності електричного поля, як показано В.Л. Гінзбургом:

, (5)

звідки отримано вираз для потужності випромінювання електрона з одного періоду:

. (6)

Відповідно, в системі СІ потужність випромінювання пучка електронів, що рухаються за зазначеною траєкторією, для струму 0,1 А та напруги 3 кВ дорівнює 0,369·10-4 Вт і для напруги 5 кВ дорівнює 0,713·10-4 Вт.

Розділ 4. В даному розділі досліджено формування циклотронного руху електронів з нерелятивістською енергією в циліндричному порожнистому потоці. Гвинтові електронні пучки (ГЕП), у яких енергія обертального руху електронів в два-чотири рази більше енергії поступального руху, використовуються в гіроприладах для ефективного перетворення енергії електронного пучка в енергію НВЧ поля. У цьому розділі розглянуто процеси формування ГЕП в декількох конфігураціях магнетронно-інжекторних гармат. З метою збільшення обертальної складової швидкості досліджено рух електронів в адіабатичних зростаючих магнітних полях.

У першому підрозділі розглянуто формування циліндричних порожнистих електронних потоків гарматою Кайно. У таких гарматах з метою формування електронних потоків різноманітних конфігурацій (плоскої, циліндричної та трубчастої) застосовуються схрещені статичні електричні та магнітні поля.

Розрахунок магнетронних гармат, призначених для формування аксіально-симетричних потоків, зокрема для порожнистих трубчастих, базується на методі розрахунку гармат зі схрещеними полями, що формують стрічкові електронні потоки. Користуючись виразами для траєкторій і потенціалу, визначається форма фокусуючих електродів анода плоскої магнетронної гармати зі схрещеними полями. Виходячи з розрахункових даних було розроблено магнетронну гармату, що формує порожнистий електронний пучок з діаметром 7 мм и товщиною 0,5 мм. Якість сформованого пучка визначалася за допомогою світіння залишкових газів у вакуумній трубці, а також за слідом електронного потоку на колекторі.

У другому підрозділі для перевірки якості сформованого гарматою Кайно порожнистого циліндричного пучка було виготовлено макет з періодичною аксіально-симетричною структурою і колектором, який дозволяв простежити проходження струму пучка електронів крізь структуру та за генерацією сигналу зробити висновки про його якісне формування.

Генератор складається з магнетронної гармати та порожнистого циліндричного резонатора, в якому розміщено періодичну структуру.

В регенеративному режимі електронний потік, який володіє великим просторовим зарядом, що рухався за періодичними криволінійними траєкторіями з малими пульсаціями, інтенсивно випромінював. Шумове (спонтанне) випромінювання приймалося на НВЧ детекторі. З підвищенням щільності струму в пучці з'являлася когерентна генерація, що збуджена у результаті синхронізму повздовжньої швидкості пучка з загальмованими хвилями циліндричної системи, в сантиметровому діапазоні хвиль. Прилад може працювати за низькими прискорювальними напругами (до 2 кВ) у безперервному режимі та до 15 кВ в імпульсному.

У третьому підрозділі з метою формування гвинтових електронних пучків з високим пітч-фактором було розроблено універсальну магнітну систему зі зростаючим слабко неоднорідним магнітним полем на ділянці вводу пучка з катода в резонатор, оскільки адіабатичний рух електронного пучка в перехідній області гармати значно зменшить вплив магнітної ловички та появу відбитих електронів. Магнітна система універсальна в тому сенсі, що дозволяє настроювати і тестувати гіроприлади шляхом перестроювання поля в області гармати від високооднорідного до адіабатичного зростаючого в широких межах. Загальна довжина системи 270 мм.

Четвертий підрозділ присвячено розрахунку та побудові магнетронно-інжекторної гармати з пітч-фактором, що перевищує 2, та на прискорювальні напруги до 6 кВ зі струмом до 300 мА. Розрахунок геометричних параметрів, проектування й оптимізація магнетронно-інжекторної гармати (МІГ) базувалася на моделі з нульовими початковими швидкостями у програмі EGUN. Така модель є корисною для якісного аналізу й оперативного пошуку оптимальних за швидкісним розкидом конфігурацій електродів і достатньо добре розраховує значення (співвідношення осциляторної енергії пучка до повної) для струму пучка I, що вимагається.

У п'ятому підрозділі досліджено вплив магнітної ловички та просторового заряду пучка на формування електронних потоків низьковольтної магнетронно-інжекторної гармати. Зокрема, було проаналізовано за допомогою програми EGUN три види пучків, що сформовані різними електронно-оптичними системами: гарматою Кайно з кутом 4о, МІГ з регулярними перетинами з кутом 12о та з нерегулярними перетинами (межовий пучок) з кутом 18о. За результатами розрахунків було обрано та сконструйовано МІГ з межовим пучком. Експериментально отримано умови вводу ГЕП в адіабатичному зростаючому магнітному полі для пучків з різною щільністю, що задовільно відповідало результатам розрахунку у програмі EGUN.

ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі наведено результати досліджень, які спрямовані на вирішення актуальної наукової задачі фізичної електроніки і фізики пучків. Ця задача полягає у виявленні фізичних особливостей процесів формування та транспортування щільних нерелятивістських потоків електронів з криволінійними траєкторіями в магнітних полях складної форми, а також у встановленні закономірностей руху та випромінювання гвинтових електронних пучків у залежності від параметрів сил просторового заряду та магнітних пасток, що утворюються в місцях згущення силових ліній магнітних полів. Для розв'язання поставлених задач проведено розрахунки та створено експериментальні стенди для досліджень руху щільних електронних пучків в магнітних полях з реверсом, у схрещених магнітних полях та у адіабатичних магнітних полях на окремих ділянках; проведено дослідження формування та транспортування гвинтових електронних потоків з різної щільністю просторового заряду в таких магнітних системах. На підставі отриманих даних розроблено, створено і досліджено магнетронно-інжекторну гармату для низьковольтного гірорезонансного приладу. Основні, найбільш важливі результати та висновки, які з них випливають, зводяться до наступного:

Експериментально та теоретично знайдено області проходження та непроходження щільного нерелятивістського електронного потоку в МПФС у залежності від параметрів реверсивних зон. З аналітичного розв'язання задачі руху електрона без впливу просторового заряду отримано вираз для дрейфу провідного центра електрона, що визначає зони проходження і непроходження електрона крізь систему у залежності від параметрів реверсивних зон.

Експериментально отримано умови вводу та транспортування щільного нерелятивістського електронного потоку в магнітній системі типу ондулятора Моца в присутності провідного магнітного поля. Знайдено оптимальне співвідношення між повздовжньою та поперечною компонентами індукцій магнітного поля, що забезпечує максимальну амплітуду відхилу електронного потоку від положення рівноваги за умов повного проходження на колектор крізь простір взаємодії системи.

Експериментально отримано спонтанне випромінювання щільного нерелятивістського електронного потоку, що рухається в ондуляторі Моца в присутності провідного магнітного поля. Вперше експериментально отримано залежність амплітуди шумового сигналу електронного потоку від співвідношення між повздовжньою и поперечною компонентами індукцій магнітного поля

Експериментально отримано когерентне випромінювання за умов взаємодії порожнистого гвинтового електронного потоку, що сформовано гарматою Кайно, з загальмованими хвилями циліндричної гальмівної системи. На основі отриманих результатів розроблена низьковольтна адіабатична магнетронно-інжекторна гармата для низьковольтного мазера на циклотронному резонансі.

Експериментально знайдені режими вводу гвинтового електронного потоку в адіабатичне зростаюче магнітне поле для пучків з різною щільністю просторового заряду. Теоретично та експериментально шляхом підбору адіабатичного зростаючого магнітного поля знайдено режими для отримання максимального пітч-фактора та зменшення впливу магнітної ловички.

Список основних публікацій за темою дисертації

Jezmer A. N. Research peculiarities of electron flow forming in undulators with longitudinal magnetic field / A. N. Jezmer, G. N. Gestrin, A. P. Kasyanenko, B. P. Yefimov // International Journal on Infrared and Millimeter Waves. - 2001. - Vol.22, №4. - P.597-610.

Жезмер А. Н. Исследование механизмов излучения ЛСЭ на ондуляторе Моца / А. Н. Жезмер, Б. П. Ефимов // Вестник Харьковского национального университета имени В. Н. Каразина. - 2002. - №570, Вып.2. - С.113-116.

Кулешов А. Н. Траектории движения электрона в магнитном поле МПФС с изменяющейся продольной компонентой / А. Н. Кулешов, А. А. Булгаков, Б. П. Ефимов // Радиофизика и электроника: сб. научн. тр. / НАН Украины, Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова. - Харьков. - 2004. - Т.9, №1. - С.289-294.

Кулешов А. Н. О возможном механизме спонтанного излучения из нерелятивистского пучка свободных электронов в ондуляторе Моца / А. Н. Кулешов, А. Г. Пивоварова, Б. П. Ефимов // Радиофизика и электроника: сб. научн. тр. / НАН Украины, Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова. - Харьков. - 2004. - Т.9, №3. - С.562-566.

Кулешов А. Н. Универсальная лабораторная магнитная система для СВЧ приборов / А. Н. Кулешов, Б. П. Ефимов, В. В. Завертаный, В. И. Карпенко // Радиофизика и электроника: сб. научн. тр. / НАН Украины, Институт радиофизики и электроники им. А.Я. Усикова. - Харьков. - 2006. - Т.11, №3. С.447-450.

Кулешов А. Н. Влияние продольной компоненты магнитного поля на излучательные свойства электронного потока в ондуляторе Моца / А. Н. Кулешов, Б. П. Ефимов, И. Л. Вербицкий, А. Г. Пивоварова // Радиотехника: Всеукраинский научно-техн. сб. - 2006. - Вып.147 - С.130-137.

Кулешов А. Н. Формирование электронных потоков с криволинейным движением для приборов типа ЛСЭ и МЦР / А. Н. Кулешов, Б. П. Ефимов // Радиофизика и электроника: сб. научн. тр. / НАН Украины, Институт радиофизики и электроники им. А.Я. Усикова. - Харьков. - 2008. - Т.13, Спец. выпуск. - С.301-314.

Jezmer A. N. Research peculiarities of electron flow forming in undulators with longitudinal magnet field / A. N. Jezmer, G. N. Gestrin, B. P. Yefimov // 25th Int. Conf. Infrared and Millimeter Waves. 12-15 September 2000: abst. book. _ Beijing. - 2000. - P.53-54.

Bulgakov A. A. Experimental and theoretic research of electron motion in MPFS / A. A. Bulgakov, A. N. Jezmer, B. P. Yefimov // 12th Int. Conf. Microwave and Telecommunication Technology. 9-13 September 2002: abst. book. _ Sevastopol. - 2002. - P.211-212.

Bulgakov A. A. Experimental and theoretic research of electron motion in MPFS / A. A. Bulgakov, A. N. Jezmer, B. P. Yefimov // 27th Int. Conf. Infrared and Millimeter Waves. 22-26 September 2002: abst. book. _ San Diego. - 2002. - P.265-266.

Bulgakov A. A. Electron oscillator forming by system of periodic reversing magnets / A. A. Bulgakov, A. N. Jezmer, B. P. Yefimov // 13th Int. Conf. Microwave and Telecommunication Technology. 8-12 September 2003: abst. book. _ Sevastopol. - 2003. - P.644-645.

Bulgakov A. A. Trajectory Analysis of Electron Motion in MPFS / A. A. Bulgakov, K. V. Ilyenko, A. N. Jezmer, B. P. Yefimov // 28th Int. Conf. Infrared and Millimeter Waves. 29 September - 3 October 2003: abst. book. - Otsu. - 2003. - P.147-148.

Bulgakov A. A. Electron trajectories in model of longitudinally varying magnetic field / A. A. Bulgakov, A. N. Kuleshov, B. P. Yefimov // 10th Int. Conf. Math. Methods Electromagnetic Theory. 14-17 September 2004: abst. book. - Dnieperpetrovsk. - 2004. - P.387-389.

Kuleshov A. N. Low-Voltage Hybrid FEL with Comb Waveguide / A. N. Kuleshov, B. P. Yefimov // 29th Int. Conf. Infrared and Millimeter Waves. 27 September - 1 October 2004: abst. book. - Karlsruhe, Germany. - 2004. - P.603-604.

Kuleshov A. Forming and transportation of an electron bunch in the undulator / A. Kuleshov, G. Gestrin, B. Yefimov // 11th Int. Conf. Math. Methods Electromagnetic Theory. 26-29 September 2006: abst. book. - Kharkiv. - 2006. - P.472-474.

Yefimov B. P. Adiabatic magnetron injection gun for low-voltage gyrotron / B. P. Yefimov, A. N. Kuleshov, V. F. Zhiglo // 8 th Int. Conf. Vacuum Electronics. 15-17 May 2007: abst. book. - Kitakyushu. - 2007. - P.1-2.

Kuleshov A. N. The design and characteristics of low-voltage adiabatic magnetron-ingection gun / A. N. Kuleshov, B. P. Yefimov, V. V. Zavertanniy, V. F. Zhiglo // 6th Kharkiv Symp. Physics Engin. Microw., Millimeter, and Submillimeter Waves. 25-30 June 2007: abst. book. - Kharkiv. - 2007. - Vol.2. - P.556-558.

АНОТАЦІЯ

Кулешов О.М. Формування та транспортування нерелятивістських електронних потоків для приладів та пристроїв на магнітогальмівному випромінюванні. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.04 - фізична електроніка. - Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України, Харків, 2010.

Головна задача дисертаційної роботи - виявлення фізичних особливостей процесів формування та транспортування щільних нерелятивістських потоків електронів з криволінійними траєкторіями в магнітних полях складної форми, а також встановлення закономірностей руху та випромінювання гвинтових електронних пучків у залежності від параметрів сил просторового заряду та магнітних пасток, що утворюються в місцях згущення силових ліній магнітних полів. В роботі було розв'язано теоретично та експериментально питання формування гвинтових електронних потоків різної щільності в магнітних полях з реверсом, у схрещених магнітних полях та у адіабатичних магнітних полях на окремих ділянках. Експериментально та теоретично знайдено області проходження та непроходження щільного нерелятивістського електронного потоку в МПФС у залежності від параметрів реверсивних зон. Експериментально отримано умови вводу та транспортування щільного нерелятивістського електронного потоку в магнітній системі типу ондулятора Моца в присутності провідного магнітного поля. Експериментально знайдені режими вводу гвинтового електронного потоку в адіабатичне зростаюче магнітне поле для пучків з різною щільністю просторового заряду.

Ключові слова: щільний потік нерелятивістських електронів, просторово-періодична магнітна система, адіабатичне магнітне поле, магнітна пастка, гвинтовий електронний пучок.

АННОТАЦИЯ

Кулешов А.Н. Формирование и транспортировка нерелятивистских электронных потоков для приборов и устройств на магнитотормозном излучении. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.04 - физическая электроника. - Институт радиофизики и электроники им. А.Я. Усикова НАН Украины, Харьков, 2010.

Главная задача диссертации заключается в выявлении физических особенностей процессов формирования и транспортировки интенсивных нерелятивистских электронных потоков с криволинейными траекториями в магнитных полях сложной формы, а также установление закономерностей движения и излучения винтовых электронных пучков в зависимости от параметров сил пространственного заряда и магнитных ловушек, образующихся в местах сгущения силовых линий магнитных полей. В работе исследована возможность получения интенсивного винтового электронного пучка в магнитных периодических системах. Теоретически и экспериментально были решены вопросы формирования винтовых электронных потоков с различной плотностью пространственного заряда в магнитных полях с реверсом поля (МПФС), в скрещенных магнитных полях, образованных суперпозицией поперечного магнитного поля ондулятора Моца и ведущего магнитного поля, а также в адиабатически нарастающих магнитных полях на отдельных участках.

Экспериментально и теоретически найдены области прохождения и непрохождения интенсивного нерелятивистского электронного потока в МПФС в зависимости от параметров реверсивных зон. В частности, показано, что движение электрона в такой системе при условии малости радиуса вращения электрона по сравнению с периодом магнитной системы можно представить как быстрое вращение электрона по окружности и дрейф этой окружности вдоль силовых линий магнитного поля. Направление дрейфа зависит как от параметров магнитной системы, так и от угла влета электрона, что и определяет зоны прохождения и непрохождения. В работе получены аналитические выражения для описания движения электрона в такой системе для аппроксимации поля как кусочно-линейной функцией, так и синусоидальной, из которых определяется угол дрейфа.

Экспериментально получены условия ввода и транспортировки интенсивного нерелятивистского электронного потока в магнитной системе типа ондулятора Моца при наличии ведущего магнитного поля. Найдено оптимальное соотношение между продольной и поперечной компонентами индукции магнитного поля, обеспечивающее максимальную амплитуду отклонения электронного потока от положения равновесия при полном его прохождении на коллектор через пространство взаимодействия системы. Экспериментально получено спонтанное излучение интенсивного нерелятивистского электронного потока, движущегося в ондуляторе Моца при наличии продольного ведущего магнитного поля. Экспериментально получена зависимость амплитуды шумового сигнала электронного потока от соотношения индукций ведущего и ондуляторного магнитных полей.

В работе предложена методика исследования продольной компоненты скорости электронного потока, основанная на определении параметров возбуждаемых колебаний при синхронизме исследуемого электронного пучка с волнами замедляющей системы. Экспериментально получено когерентное излучение при взаимодействии полого винтового электронного потока, формируемого пушкой Кайно, с цилиндрической замедляющей системой. На основе полученных экспериментальных результатов, а также результатов расчетов электронно-оптической системы в программе EGUN, была разработана низковольтная магнетронно-инжекторная пушка для низковольтного мазера на циклотронном резонансе. В результате проведенных экспериментальных исследований были найдены режимы ввода винтового электронного потока в адиабатическое нарастающее магнитное поле для пучков с разной плотностью пространственного заряда. На основе полученных результатов разработана лабораторная магнитная система для настройки гироприборов, позволяющая плавно регулировать адиабатическое нарастающее продольное магнитное поле для получения максимального питч-фактора и уменьшение влияния магнитной ловушки.

Ключевые слова: интенсивный поток нерелятивистских электронов, пространственно-периодическая магнитная система, адиабатическое магнитное поле, магнитная ловушка, винтовой электронный пучок.

ABSTRACT

Kuleshov A.N. Forming and transportation of nonrelativistic electron beams for devices and apparatuses based on magneto-bremsstrahlung. - Manuscript.

Thesis for the Ph.D. degree in Physics and Mathematics with the specialization 01.04.04 - physical electronics. - Usikov's Institute for Radiophysics and Electronics of National Academy of Sciences of Ukraine, Kharkiv, 2010.

The main purpose of the thesis is to reveal the physical features of both forming and transportation processes of intense nonrelativistic electron beams with curvilinear trajectories in complex magnetic fields; and also to determine the physical law of both motion and radiation of helical electron beams depending on space charge force and parameters of magnetic traps that are formed in the places of magnetic field line crowding. Helical electron beam forming with different intensity was considered theoretically. The beam has been formed experimentally in reversing, crossed and adiabatic magnetic fields. Stable and unstable regions of intense electron beam transport through magnetic periodical system were theoretically and experimentally analyzed depending on the parameters of reversing zones. Both inlet and transport conditions for intense nonrelativistic electron beam moving in magnetic system of Motz undulator type with longitudinal component have been experimentally obtained. Experimental regimes for intense helical electron beam inlet into increasing adiabatic magnetic field was reached.

Keywords: intense nonrelativistic electron beam, space - periodical magnetic system, adiabatic magnetic field, magnetic trap, helical electron beam.

Размещено на Allbest.ur

...