Пространственные характеристики волны плотности заряда в неоднородных магнитоизолированных передающих линиях
Представлены результаты исследования пространственных характеристик волны плотности заряда в неоднородных магнитоизолированных передающих линиях, полученные методом численного моделирования. Обсуждается зависимость параметров волны плотности от полного тока в линии и влияние нерегулярности замедляю...
Saved in:
| Published in: | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Date: | 2008 |
| Main Authors: | , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2008
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/110285 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Пространственные характеристики волны плотности заряда в неоднородных магнитоизолированных передающих линиях / А.М. Горбань, Ю.Ф. Лонин // Вопросы атомной науки и техники. — 2008. — № 4. — С. 11-13. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859694902373253120 |
|---|---|
| author | Горбань, А.М. Лонин, Ю.Ф. |
| author_facet | Горбань, А.М. Лонин, Ю.Ф. |
| citation_txt | Пространственные характеристики волны плотности заряда в неоднородных магнитоизолированных передающих линиях / А.М. Горбань, Ю.Ф. Лонин // Вопросы атомной науки и техники. — 2008. — № 4. — С. 11-13. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Вопросы атомной науки и техники |
| description | Представлены результаты исследования пространственных характеристик волны плотности заряда в
неоднородных магнитоизолированных передающих линиях, полученные методом численного моделирования. Обсуждается зависимость параметров волны плотности от полного тока в линии и влияние нерегулярности замедляющей структуры.
Представлено результати дослідження просторових характеристик хвилі щільності заряду в неоднорідних магнітоізольованих передавальних лініях, отримані методом чисельного моделювання.
Обговорюється залежність параметрів хвилі щільності від повного струму в лінії і вплив нерегулярності
сповільнюючої структури.
Characteristics of charge density of a stationary electronic flow in magnetically insulated transmitting line were
studied by a method of numerical simulation. Influence of regular and irregular slowing structures on density of a
charge of an electronic flow was considered.
|
| first_indexed | 2025-12-01T00:21:12Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 533.9; 538.311
ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВОЛНЫ ПЛОТНОСТИ
ЗАРЯДА В НЕОДНОРОДНЫХ МАГНИТОИЗОЛИРОВАННЫХ
ПЕРЕДАЮЩИХ ЛИНИЯХ
А.М. Горбань, Ю.Ф. Лонин
Национальный научный центр "Харьковский физико-технический институт",
Харьков, Украина
E-mail: gorban@kipt.kharkov.ua; lonin@kipt.kharkov.ua
Представлены результаты исследования пространственных характеристик волны плотности заряда в
неоднородных магнитоизолированных передающих линиях, полученные методом численного моделирова-
ния. Обсуждается зависимость параметров волны плотности от полного тока в линии и влияние нерегуляр-
ности замедляющей структуры.
1. ВВЕДЕНИЕ
Передающие линии с магнитной самоизоляцией
(МИПЛ) представляются хорошей основой для со-
здания генератора на скрещенных полях. Такой ге-
нератор является перспективным типом прибора для
получения сверхвысокочастотных (СВЧ) колебаний
гигаваттных уровней мощности. Вместе с тем, пред-
ставляет интерес изучение возможности генерации в
таких приборах широкополосных СВЧ-колебаний.
Основанием для этого служит тот факт, что реляти-
вистские СВЧ-генераторы высокой мощности обыч-
но работают в сильно нелинейных режимах. В
частности, в работе [1] теоретически исследуется
возможность хаотического поведения поля в генера-
торе на магнитоизолированной линии при высоких
значениях вводимого тока. В работе [2] исследованы
режимы работы генератора на МИПЛ, в котором фа-
зовая расстройка между электронным потоком и
волной является медленной функцией продольной
координаты системы. Показано, что параметр
расстройки при высоких уровнях вводимого тока
может существенно влиять на спектральные харак-
теристики излучения. В обеих работах используется
одномерное уравнение для поля волны про-
странственного заряда в форме, предложенной в [3].
Вместе с тем, хотелось бы иметь информацию о
структуре пространственного заряда с учетом дву-
мерной геометрии системы МИПЛ. Для этого мы
использовали метод прямого PIC-моделирования
размерности 2 в потенциальном приближении.
2. ИСПОЛЬЗУЕМАЯ МОДЕЛЬ
Исследование характеристик электронного пото-
ка выполнялось путем численного моделирования
методом частиц в потенциальном приближении. Ис-
пользовалась простейшая двумерная модель,
способная описать стационарное состояние волны
пространственного заряда. Исследуемая система
представляет собой отрезок коаксиальной линии с
гладким внутренним проводником. На внутренней
стороне наружного проводника может располагать-
ся произвольная регулярная или нерегулярная
структура гребеночного типа (в дальнейшем услов-
но называемая замедляющей структурой). При рас-
чете движения частиц учитывались только самосо-
гласованные поперечное электрическое rE и акси-
альное магнитное ϕB поля. Таким образом, система
уравнений для полей имела следующий вид:
2 2
2 2
1 4 ,
r rz r
π ρ∂ Φ ∂ Φ ∂ Φ+ + = −
∂∂ ∂
(1)
,rE
r
∂ Φ= −
∂
(2)
4 ,z
B B
j
r r c
φ φ π∂
+ =
∂
(3)
0=
∂
∂
z
Bϕ (4)
с граничными условиями:
,4,,0
0
0
10
cjcrr
B
rrrr
πϕ =
=
Φ=
=
Φ
=
=
Φ
(5)
где ( ) ( )zrEEzr rr ,,, =Φ=Φ − потенциал и по-
перечная составляющая напряженности электриче-
ского поля, ( ) ( )zrjjzr zz ,,, == ρρ − плотность за-
ряда и продольного тока, cj − плотность поверх-
ностного тока по внутреннему проводнику коакси-
альной линии, 0r и 1r − радиус внутреннего и внеш-
него проводника соответственно.
Движение электронов описывалось релятивист-
скими уравнениями для скорости
,, zzrr gzvgrv ==== (6)
где ускорения:
( )rrzrr EvcBvEg 221 −− −−= ϕη γ , (7)
( )rrzrz EvvcBvg 21 −− −= ϕη γ . (8)
Здесь γ − фактор Лоренца, а η − отношение за-
ряда электрона к массе покоя.
Расчетная область представляет собой односвяз-
ную область, вписанную в прямоугольник размера-
ми 50 на 500 ячеек по координате r и z соответ-
ственно. Потенциал электрического поля рассчиты-
вается методом последовательной верхней релакса-
ции с чебышевским ускорением. Расчет напряжен-
ности электрического поля ведется по 6-точечной
разностной схеме [4]. Магнитное поле рассчитыва-
лось по усредненным вдоль системы значениям
___________________________________________________________
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2008. № 4.
Серия: Плазменная электроника и новые методы ускорения (6), с.11-13.
11
mailto:gorban@kipt.kharkov.ua
электронного тока. Моделируется механизм взрыв-
ной эмиссии частиц из поверхности внутреннего
проводника. При расчете динамики частиц исполь-
зуется комбинация экстраполяционных формул
Адамса третьего порядка точности для скорости и
степенных рядов четвертого порядка точности для
координат.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ
Мы исследовали характеристики электронного
потока в установившемся режиме. Для достижения
такого квазистационарного состояния требовалось
около 4 тыс. временных шагов.
Типичные параметры модели, принимаемые при
расчетах: радиус внутреннего проводника 0r =10 см,
радиус внешнего проводника 1r = 15 см, длина си-
стемы zL =50 см, приложенное напряжение 0U
= 500…700 кВ, полный ток по внутреннему провод-
нику и в пространстве дрейфа 0I = 50…200 кА.
В системе устанавливался прижатый к внутрен-
нему проводнику электронный поток. Исследова-
лась амплитуда пространственных гармоник плот-
ности заряда электронов вблизи проводника и на по-
верхности потока. При этом установлена слабая за-
висимость структуры потока от напряженности маг-
нитного поля в системе. Так, с ростом полного тока
0I от 50 до 200 кА пики пространственных гармо-
ник несколько уширяются, однако общий характер
их распределения не изменяется.
а) б)
в) г)
Рис.1. Амплитуда пространственных гармоник волны плотности заряда
Значительно сильнее на характере структуры
волны плотности заряда сказываются параметры за-
медляющей структуры. Для примера, на Рис.1 пред-
ставлены амплитуды пространственных гармоник
плотности заряда в четырех произвольных моментах
времени для указанных выше параметров модели
при полном токе в системе 0I = 200 кА. Диаграммы
1,а и 1,б соответствуют системе с гребенчатой
структурой с периодом 5,3 см и глубиной 4 см. На
диаграмме 1,а отображены амплитуды про-
странственных гармоник плотности заряда вблизи
поверхности внутреннего проводника, а на диаграм-
ме 1,б – на поверхности электронного потока. Диа-
граммы 1,в и 1,г отличаются от них только примене-
нием другой замедляющей структуры – здесь она
представляет собой комбинацию двух структур: од-
ной с периодом 5,3 см и глубиной 4 см и другой с
периодом 6,9 см и глубиной 3,5 см. Видно, что ха-
рактер распределения пространственных гармоник
плотности заряда как вблизи проводника (Рис.1,в),
так и на поверхности потока (Рис.1,г), существенно
изменился.
ВЫВОДЫ
Проведенные исследования показали возмож-
ность управления в широких пределах про-
странственной структурой волны плотности заряда
посредством использования иррегулярных замедля-
ющих структур.
Эти результаты могут служить основанием для
постановки задачи об исследовании возможности
усиления и генерации широкополосного электро-
12
магнитного излучения в системах на базе магни-
то7изолированных передающих линий.
ЛИТЕРАТУРА
1. H. Jianhong, D. Wu. Chaotic behavior of the radia-
tion field in the magnetically insulated transmission
line oscillator // Phys. Rev. E (67). 2003, 026503-1-6.
2. А.М. Горбань, Ю.Ф. Лонин. Нелинейные режи-
мы генератора на магнитоизолированной пере-
дающей линии с комбинированной замедляю-
щей структурой // Тезисы ХХ Международного
семинара по ускорителям заряженных частиц.
Алушта, 09-15 сентября 2007 г., с.45.
3. М.И. Петелин // Известия вузов. Радиофизика.
1985, т.28, №3, с.354-360.
4. Ч. Бэдсел, А. Ленгдон. Физика плазмы и числен-
ное моделирование. М.: «Энергоатомиздат»,
1989, с.317-320.
Статья поступила в редакцию 20.05.2008 г.
SPATIAL CHARACTERISTICS OF THE CHARGE DENSITY WAVE IN NON-UNIFORM MAGNETI-
CALLY INSULATED TRANSMITTING LINES
A.M. Gorban’, Yu.F. Lonin
Characteristics of charge density of a stationary electronic flow in magnetically insulated transmitting line were
studied by a method of numerical simulation. Influence of regular and irregular slowing structures on density of a
charge of an electronic flow was considered.
ПРОСТОРОВІ ХАРАКТЕРИСТИКИ ХВИЛІ ГУСТИНИ ЗАРЯДУ В НЕОДНОРІДНИХ МАГНІТО-
ІЗОЛЬОВАНИХ ПЕРЕДАЮЧИХ ЛІНІЯХ
А.М. Горбань, Ю.Ф. Лонін
Представлено результати дослідження просторових характеристик хвилі щільності заряду в не-
однорідних магнітоізольованих передавальних лініях, отримані методом чисельного моделювання.
Обговорюється залежність параметрів хвилі щільності від повного струму в лінії і вплив нерегулярності
сповільнюючої структури.
___________________________________________________________
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2008. № 4.
Серия: Плазменная электроника и новые методы ускорения (6), с.11-13.
13
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-110285 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1562-6016 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-01T00:21:12Z |
| publishDate | 2008 |
| publisher | Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Горбань, А.М. Лонин, Ю.Ф. 2017-01-02T21:40:50Z 2017-01-02T21:40:50Z 2008 Пространственные характеристики волны плотности заряда в неоднородных магнитоизолированных передающих линиях / А.М. Горбань, Ю.Ф. Лонин // Вопросы атомной науки и техники. — 2008. — № 4. — С. 11-13. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/110285 533.9; 538.311 Представлены результаты исследования пространственных характеристик волны плотности заряда в неоднородных магнитоизолированных передающих линиях, полученные методом численного моделирования. Обсуждается зависимость параметров волны плотности от полного тока в линии и влияние нерегулярности замедляющей структуры. Представлено результати дослідження просторових характеристик хвилі щільності заряду в неоднорідних магнітоізольованих передавальних лініях, отримані методом чисельного моделювання. Обговорюється залежність параметрів хвилі щільності від повного струму в лінії і вплив нерегулярності сповільнюючої структури. Characteristics of charge density of a stationary electronic flow in magnetically insulated transmitting line were studied by a method of numerical simulation. Influence of regular and irregular slowing structures on density of a charge of an electronic flow was considered. ru Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Сильноточная релятивистская электроника Пространственные характеристики волны плотности заряда в неоднородных магнитоизолированных передающих линиях Просторові характеристики хвилі густини заряду в неоднорідних магнітоізольованих передаючих лініях Spatial characteristics of the charge density wave in non-uniform magnetically insulated transmitting lines Article published earlier |
| spellingShingle | Пространственные характеристики волны плотности заряда в неоднородных магнитоизолированных передающих линиях Горбань, А.М. Лонин, Ю.Ф. Сильноточная релятивистская электроника |
| title | Пространственные характеристики волны плотности заряда в неоднородных магнитоизолированных передающих линиях |
| title_alt | Просторові характеристики хвилі густини заряду в неоднорідних магнітоізольованих передаючих лініях Spatial characteristics of the charge density wave in non-uniform magnetically insulated transmitting lines |
| title_full | Пространственные характеристики волны плотности заряда в неоднородных магнитоизолированных передающих линиях |
| title_fullStr | Пространственные характеристики волны плотности заряда в неоднородных магнитоизолированных передающих линиях |
| title_full_unstemmed | Пространственные характеристики волны плотности заряда в неоднородных магнитоизолированных передающих линиях |
| title_short | Пространственные характеристики волны плотности заряда в неоднородных магнитоизолированных передающих линиях |
| title_sort | пространственные характеристики волны плотности заряда в неоднородных магнитоизолированных передающих линиях |
| topic | Сильноточная релятивистская электроника |
| topic_facet | Сильноточная релятивистская электроника |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/110285 |
| work_keys_str_mv | AT gorbanʹam prostranstvennyeharakteristikivolnyplotnostizarâdavneodnorodnyhmagnitoizolirovannyhperedaûŝihliniâh AT loninûf prostranstvennyeharakteristikivolnyplotnostizarâdavneodnorodnyhmagnitoizolirovannyhperedaûŝihliniâh AT gorbanʹam prostorovíharakteristikihvilígustinizarâduvneodnorídnihmagnítoízolʹovanihperedaûčihlíníâh AT loninûf prostorovíharakteristikihvilígustinizarâduvneodnorídnihmagnítoízolʹovanihperedaûčihlíníâh AT gorbanʹam spatialcharacteristicsofthechargedensitywaveinnonuniformmagneticallyinsulatedtransmittinglines AT loninûf spatialcharacteristicsofthechargedensitywaveinnonuniformmagneticallyinsulatedtransmittinglines |