К теории пучковых обратных связей в генераторах с виртуальным катодом

Рассмотрена самосогласованная нестационарная модель пучковой обратной связи в приборах с виртуальным катодом (ВК), использующая неустойчивость потока в катод-анодном промежутке и нелинейное взаимодействие частиц с колебаниями ВК. Нелинейные процессы в этих областях описываются на основе взаимодейств...

Full description

Saved in:
Bibliographic Details
Published in:Вопросы атомной науки и техники
Date:2003
Main Authors: Магда, И.И., Пащенко, А.В., Романов, С.С., Шапова, И.Н.
Format: Article
Language:Russian
Published: Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України 2003
Subjects:
Online Access:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/111167
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:К теории пучковых обратных связей в генераторах с виртуальным катодом / И.И. Магда, А.В. Пащенко, С.С. Романов, И.Н. Шапова // Вопросы атомной науки и техники. — 2003. — № 4. — С. 167-170. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1860089962092822528
author Магда, И.И.
Пащенко, А.В.
Романов, С.С.
Шапова, И.Н.
author_facet Магда, И.И.
Пащенко, А.В.
Романов, С.С.
Шапова, И.Н.
citation_txt К теории пучковых обратных связей в генераторах с виртуальным катодом / И.И. Магда, А.В. Пащенко, С.С. Романов, И.Н. Шапова // Вопросы атомной науки и техники. — 2003. — № 4. — С. 167-170. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.
collection DSpace DC
container_title Вопросы атомной науки и техники
description Рассмотрена самосогласованная нестационарная модель пучковой обратной связи в приборах с виртуальным катодом (ВК), использующая неустойчивость потока в катод-анодном промежутке и нелинейное взаимодействие частиц с колебаниями ВК. Нелинейные процессы в этих областях описываются на основе взаимодействия связанных генераторов Ван дер Поля - Дуффинга.
first_indexed 2025-12-07T17:22:29Z
format Article
fulltext УДК 533.9 К ТЕОРИИ ПУЧКОВЫХ ОБРАТНЫХ СВЯЗЕЙ В ГЕНЕРАТОРАХ С ВИРТУАЛЬНЫМ КАТОДОМ И.И. Магда, А.В. Пащенко, С.С. Романов, И.Н. Шапова, Институт плазменной электроники и новых методов ускорения, ННТЦ ХФТИ, 61108, г. Харьков, ул. Академическая, 1, Украина, imagda@online.kharkiv.com; В.Е. Новиков НТЦ «Электрофизической обработки» НАНУ, 61002 г. Харьков, а.я. 8812, Украина Рассмотрена самосогласованная нестационарная модель пучковой обратной связи в приборах с виртуаль- ным катодом (ВК), использующая неустойчивость потока в катод-анодном промежутке и нелинейное взаи- модействие частиц с колебаниями ВК. Нелинейные процессы в этих областях описываются на основе взаи- модействия связанных генераторов Ван дер Поля - Дуффинга. I. ВВЕДЕНИЕ Обратные связи (ОС) по пучку и электромагнит- ному полю эффективно используются для повыше- ния КПД и управления характеристиками реально существующих микроволновых приборов с ВК [1,2]. Во многих работах выполнены численные экспери- менты, подтверждающие эффективность их при- менения, однако к настоящему времени не создано приемлемой аналитической теории ОС для таких си- стем. Физические области взаимодействия частиц и полей в виркаторе на пролетном пучке в простей- шем случае показаны на рис.1. Рис.1. Характерныe области виркатора: I - ускоряющий промежуток; II – область между ано- дом и ВК; III –область ВК; IV - область прошедше- го электронного пучка Области I - III содержат как прямой, так и отра- женный от ВК пучки. В области I формируется элек- тронный поток и ускоряется приложенной к катод- анодному промежутку разностью потенциалов U(t). В области ВК (III) осуществляется отражение части прямого пучка, и возникают осцилляции электронов и полей. Характерный размер этой области в стацио- нарном случае определяется близостью величин самосогласованного потенциала и эффективной тем- пературы электронов вблизи ВК. В области IV рас- пространяется прошедший через ВК пучок. В рассматриваемом подходе предполагается, что обратные связи формируются потоками частиц (ПОС) и электромагнитными полями (ЭМОС), вно- симыми из других областей. Они могут быть промо- делированы введением в конкретную область эф- фективного потенциала. Также учитывается, что ди- намика сильноточного диода формируется неустой- чивостью потока в катод-анодном промежутке. Ниже представлена самосогласованная модель ПОС в виркаторе, учитывающая нестационарность про- цессов в диоде со сверхкритическим током и обла- сти ВК. Эта модель основывается на анализе стацио- нарных состояний диодного промежутка и их устой- чивости. 2. ТЕОРИЯ СТАЦИОНАРНЫХ СОСТО- ЯНИЙ ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА В ДИОДЕ И АНАЛИЗ ИХ УСТОЙЧИВОСТИ Замкнутые аналитические выражения для гидро- динамических, полевых и спектральных характери- стик потоков заряженных частиц в дрейфовом про- странстве сильноточного пучка получены в работах [3-5]. Рассмотрим стационарные состояния в катод- анодном промежутке и их устойчивость. Исходны- ми являются гидродинамические уравнения движе- ния и непрерывности, а также уравнение Пуассона для электрического поля: v vv t z z ∂ ∂ ∂ Φ+ = ∂ ∂ ∂ ; ( ) 0n nv t z ∂ ∂+ = ∂ ∂ ; 2 2 ,qn z ∂ Φ = ∂ (1) Единицами измерения плотности n, скорости v, координаты z и времени t являются характерные па- раметры для невозмущенного потока: n0, v0, длина диодного промежутка l и время пролета l/v0. Безраз- мерный потенциал электрического поля Ф = mv0 2/2e. Качественно поведение возмущенной системы опре- деляется одним параметром q = 4πe2n0l2/mv0 2. Решением системы (1) в стационарном состоя- нии являются: постоянство плотности тока и закон сохранения энергии потока ( ) ( ) ( )0 0 0 2 01 , 2,n z v z z v= Φ = (2) Используя интегралы (2), решение задачи дает сле- дующее уравнение: ( ) ( ) ( )3/ 2 1/ 2 0 0 1 3 2 m qv C C v C z z+ = + = −m . (3) Постоянная интегрирования mC v= − имеет смысл минимальной скорости электронов в области дрей- фа, которая достигается в плоскости mz z= . Верх- ний знак в формуле (3) соответствует времени про- лета электрона, удовлетворяющему неравенству 0 mv v< ; при 0 mv v> - знак плюс. Постоянные C и mz определены из граничных условий: 0 ( 0) 1v z = = , 0 ( 1) lv z v= = . По уравнению для минимальной скорости электронов в области дрейфа ( ) ( ) ( ) ( )1/ 2 1/ 2 1/ 22 1 (1 2 ) 9 / 2l m l m m mv v v v v v q− + + − + = . (4) Координата плоскости, в которой скорость потока минимальна ( ) ( ) ( ) ( )1/ 2 1/ 21 1 2 1 1 2 2 3 2m l m l m m mz v v v v v v q й щ= − − − − − +л ы , (5) не больше половины длины диода. Максимальное значение достигается при 1lv = . Введем лагранжевы переменные τ и 0τ ( 0τ -мо- мент влета частиц в катод-анодный промежуток), определяемые формулой 0 ( ) /v dz dτ τ= . Тогда стаци- онарная скорость потока 2 0 1( ) 2 m qv v q τ τ γ ж ц = − +з чз ч и ш , где vm – минимальная скорость частиц, а параметр γ на- ходится из уравнения (vl – скорость на выходе из диода) 2 1 1 1 1( , ) 1 2 2 ( 1) 1 3 3l l lq v v vγ γ γ γ γ ж цж ц = − + + − − +з чз ч и ши ш . (6) В лагранжевых переменных уравнения стационар- ного состояния потока перепишем в виде 3 21 6 2 q qz τ τ τ γ = − + ; 11 2mv γ = − ; 2 0 ( ) 1 2 q qv τ τ τ γ = − + . (7) Если предполагать, что vm>0 (режим прямого пучка), то, в соответствии с (7) 0.5γ > (например, для дрейфового пространства: γ =0.5 и v0=vl=1 полу- чаем q= 8/9). На входе в дрейфовое пространство параметры электронного потока связаны соотношением ( ) ( ) 2 291 1 2 2m m mv v q z− + = . На рис.2 приведены зависимости q от γ для разных значений vl и, следовательно, разных значе- ний потенциала на аноде. Максимуму кривых соот- ветствует значение ( ) 31 2 9 l l v q + = . При 1lv = предель- ный ток равен 16/9. Заметим, что время пролета ускоряющего проме- жутка (z = zl =1) для стационарного случая опреде- ляется выражением ( )( )1 1 1 1 2 1lv q τ γ γ = + + − . (8) 3. УРАВНЕНИЯ ДЛЯ ВОЗМУЩЕННЫХ ВЕЛИЧИН Чтобы получить спектр собственных частот, рассмотрим отклонение скорости потока от стацио- нарного значения. После линеаризации уравнений (1) имеем ( ) ( ) ( ) ( )0 ,d di v z v z v z z dz dz ω й щ− + = Φл ы% % (9) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )0 0 0,di n z n z v z n z v z dz ω й щ− + + =л ы% % % (10) ( ) 2 2 .d qn z dz Φ = % (11) Объединяя (9)-(11), получаем следующее уравнение: ( ) ( ) ( ) 23 20 0 12 0 0 exp , zd u dzv z qu C v z i dz v z ω ж ц й щ й щ+ = −з чл ы л ы з ч и ш т (12) где ( ) ( ) ( ) 0 0 0 exp z dzu v z v z i v z ω ж ц = −з чз ч и ш т% , (13) а 1C - постоянная интегрирорвания, представляю- щая собой величину, пропорциональную фурье- компоненте полного тока. Уравнение (12) можно ре- шить в лагранжевых переменных. Используя форму- лы (7), перепишем (12) в виде: ( ) ( ) ( ) 02 20 0 12 idvd u duv qu C v e d dd ω ττ τ τ τ ττ −й щ− + = л ы . (14) Решение уравнения (14) представим в виде суммы двух слагаемых ( ) h pu u uθ = + , первое из которых есть решение однородного уравнения, а второе - частное решение. Действуя известными способами, найдем решение уравнения (14) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 2 1 2 21 1 1 2 1 2 1 1 ,u D D C e σθθ θ θ θ γ γ θ θ σ −й щ= − + − + − + − − − − −й щл ы к ъл ы (15) Причем лагранжева переменная обозначена как qθ τ γ= , а параметр i qσ ω γ= ; 2 2 1 2C C qγ σ= ; 1D , 2D - постоянные интегрирования. По известному возмущенному значению скоро- сти могут быть найдены отклонения потенциала и плотности. Перейдя в (9) от z к θ , получим формулу ( ) ( ) ( ) 0 0 , du x e dx dx θ θ σθΦ = Φ + т% % (16) Подстановка линеаризованной скорости (15) в (16) приводит к результату: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 1 2 2 2 3 2 1 2 1 20 1 1 2 1 12 1 2 . 3 D e D e C σ σθ θθ θ σ σ σ σ σ θ σ γ θ σ м ьй щ ж цΦ = Φ − − − − + − + +н эз чк ъл ы и шо ю й щ− +ж ц+ − − + +к ъз чи шк ъл ы % % Возмущение плотности может быть теперь найдено по уравнению (11) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )02 2 2 00 1 dv ddn d v d dv θ θγθ θ θ θ θθ й щΦΦ= −к ъ к ъй щ л ыл ы % . (17) Итак, теперь имеем формулы для трех линеаризо- ванных величин гидродинамических параметров: скорости, плотности и потенциала электрического поля. 4.ЧАСТОТНЫЙ СПЕКТР ВОЛН ПРО- СТРАНСТВЕННОГО ЗАРЯДА Постоянные интегрирования в формуле (15) на- ходим, удовлетворив граничным условиям: ( ) ( ) ( ) ( )00 10 0, 0, 0, 0.zz zz v z n z z z == == = = Φ = Φ =% %% % (18) В соответствии с первым граничным условием на входе отсутствует возмущение скорости потока, поэтому согласно (13) (0) 0u = . Из (15) находим первое уравнение для постоянных интегрирования: ( )1 2 11 2 2 0D D Cγ γ σ ж ц− − + − =з ч и ш . (19) Второе граничное условие в (18) обращает в нуль линеаризованную входную плотность, что дает вто- рое уравнение: 1 2 2 1 2 1 21 1 0.D D C σ γ σ γ σ γ σ ж ц + + − − − =з ч и ш (20) Как видно, третье граничное условие не приво- дит к уравнению, отличному от (19). Чтобы удовлетворить последнему граничному условию, необходимо в (7) перейти от лагранжевой переменной τ к параметру θ и решить кубическое уравнение. Подставив в выражение для потенциала θ =θ 1, получим третье уравнение: ( )1 1 3 2 1 1 2 1 12 2 2 2 ( 1) 11 2 1 1 1 2 0. 3 D e D e Cθ σ θ σ θθ σ γ θ σ σ σ й щй щ − +ж ц ж ц− + − − + + + − + + =к ъз ч з чк ъи ш и шл ы л ы Полученные уравнения являются однородными, поэтому чтобы иметь ненулевые решения, опреде- литель, составленный из коэффициентов при неиз- вестных, должен быть равен нулю. 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 0 5 10 15 20 q γ vl=2.95 v l =1.7 vl=1.5 Рис. 2. Зависимость параметров q от γ при различ- ных значениях vl (потенциалах на аноде) 0 1 2 3 4 5 6 0 20 40 60 q vl Рис. 3. Границы устойчивости потока в диоде на плоскости параметров (q, vl) Вычисления приводят к следующему уравнению для частотного спектра волн пространственного за- ряда, которые могут существовать в диоде в режиме без отражения частиц: ( ) ( ) ( ) 1 3 12 2 3 1 1 1 1 2 2 2 2 0. 2 6 eθ σ θσθ σ σ γ σ θ σ − + − − − − + + = (21) где лагранжевы угол пролета и частота, соответ- ственно γτθ q11 = и i qσ ω γ= , Выражение (21) используется для исследования устойчивости потока. Введем переменную 1β θ σ= , которая является углом пролета для данной спек- тральной компоненты. Тогда уравнение (21) приво- дится к виду: ( ) 32 2 0eββ β β− + Γ − − = , (22) где ( ) 3 1 2 1 1 1 11 2 1 2 3 θ γ θ θ ж ц− + з чΓ = − + з ч и ш . (23) Неустойчивые решения соответствуют условию: Re 0β > . (24) Решение (22), представляющее границу устойчи- вости потока в диоде, приведено на рис.3. Таким об- разом, получены выражения для частот и инкремен- тов колебаний Imβ, которые возбуждаются в катод- анодном промежутке при выполнении условия неу- стойчивости b lq q q< < , где (0.5, )b lq q v= (см. рис.3). Отметим, что пролетная неустойчивость сильно- точного диода зависит от следующих параметров физической системы: приложенной к промежутку разности потенциалов, размеров промежутка и пара- метров пучка, связанных с обобщенным параметром q, см. (6). При этом область неустойчивости нахо- дится между кривыми, имеющими при vl=1 значения q = 16/9 и 8/9, соответственно [4]. 5. МОДЕЛЬ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ ПО ПУЧ- КУ Параметры системы должны быть выбраны та- ким образом, чтобы реализовать ПОС между обла- стями I – III. В этом случае сигнал ОС, формируе- мый отраженными частицами, на начальной стадии является «затравочным» для неустойчивости в ка- тод-анодном промежутке. Усиленный этой неустой- чивостью сигнал вносится прямым пучком в область III и дополнительно модулирует колебания ВК. Оп- тимальные условия ПОС соответствуют области неустойчивых режимов ВК - максимуму усиления в характерной для ВК области частот. Таким образом, возникает физическая ситуация, соответствующая взаимодействию колебаний в ка- тод-анодном промежутке и колебаний в области ВК, которое существенно зависит от степени ПОС, опре- деляемой прозрачностью анода. Это взаимодействие может быть представлено динамикой двух связан- ных нелинейных осцилляторов Ван дер Поля – Дуф- финга: ( ) 2 2 2 21 1 1 1 1 1 1 1 1 22 22 1 nl d d k dtd t ϕ ϕ ϕγ ω α ϕ ϕ ϕ ϕ ж ц − − + + =з чз ч и ш ; (25) ( ) 2 2 2 22 2 2 2 2 2 2 2 2 12 22 1 nl d d k dtd t ϕ ϕ ϕγ ω α ϕ ϕ ϕ ϕ ж ц − − + + =з чз ч и ш , где φ1 и φ2 - потенциалы колебаний в области ВК и ускоряющего промежутка: k1 и k2 - прозрачности анода для прямого и отраженного пучка. Известно, что по своей природе колебания в ускоряющем промежутке и в области ВК широкопо- лосны. Используемая при анализе модель адекватно отражает нелинейную природу исходных объектов и их итоговые широкополосные спектры. Далее рассматривается симметричный случай k1 = k2 = k. Здесь ω1, γ1, ω2, γ2 – частоты и инкременты соответствующих колебаний. Для колебаний в уско- ряющем промежутке инкременты и частоты опреде- лялись из уравнения (22). Частота колебаний ВК предполагалась порядка электронной плазменной частоты пучка в области ВК. На рис.4 преведены результаты решения систе- мы (25) на плоскости (φ1, φ2) для разных прозрачно- стей анода. Как видно, при малой прозрачности (слабой ПОС) кривые на плоскости (φ1, φ2) имеют сложный характер и заполняют практически всю плоскость. С ростом прозрачности происходит син- хронизация колебаний, разность фаз стабилизирует- ся, и нелинейная система в целом генерирует в уз- кой области частот (максимального инкремента). -0,3 -0,2 -0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 -0,2 -0,1 0,0 0,1 0,2 ϕ 1 ϕ 2 -0,20 -0,15 -0,10 -0,05 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 -0,2 -0,1 0,0 0,1 0,2 ϕ 1 ϕ 2 Рис. 4. Колебания двух связанных осцилляторов на плоскости (φ1, φ2) Качественный анализ взаимодействующих ос- цилляторов и полей, проведенный для случая ваку- умных пучковых систем [6], соответствует выводам нашей модели. Показано, что электронные колеба- ния, воспринимающие дополнительную энергию, могут уменьшать свое затухание вплоть до отрица- тельных значений. Для нашего случая это соответ- ствует возбуждению и росту амплитуды пролетных колебаний диода, приводящих к увеличению мощ- ности и сужению спектра генерации виркатора. 6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ В работе предложены модели обратной связи и способы их организации. Рассмотрена устойчивость потока в ускоряющем промежутке. Найдены грани- цы устойчивости в зависимости от параметров си- стемы и частотные характеристики неустойчивости, связанной с особенностями динамики объемного за- ряда в диоде. Предложен механизм обратной связи по пучку основанный на использовании неустойчивости в ускоряющем промежутке. Функционирование обратной связи промоделировано двумя связанны- ми по пучку нелинейными осцилляторами Ван дер Поля Дуффинга. Показана синхронизация колеба- ний ВК и колебаний в ускоряющем промежутке в результате ПОС. ЛИТЕРАТУРА 1. Н.П.Гадецкий, И.И.Магда, С.И.Найстетер, Ю.В.Прокопенко, В.И. Чумаков // Физика плаз- мы. 1993, т.19, в.4, с.530. 2. С.Д.Коровин, И.В.Пегель, С.Д.Полевин, В.В.Ро- стов // Вакуумная электроника: Сб. обзоров. Нижний Новгород, 2002, с.149. 3. А В.Пащенко, Б.Н.Руткевич // Физика плазмы. 1977, т.3, с.774. 4. А.В.Пащенко, Б.Н.Руткевич // Радиоэлектрони- ка и техника. 1979, т.24, с.152. 5. А.В.Пащенко, Б.Н.Руткевич, В.Д.Федорченко, Ю.П.Мазалов // ЖТФ. 1983, т.53, в.1, с.75. 6. Л.А.Вайнштейн // Радиотехника и электроника. 1990, т.35, №4, с.837. И.И. Магда, А.В. Пащенко, С.С. Романов, И.Н. Шапова, Институт плазменной электроники и новых методов ускорения, ННТЦ ХФТИ, 61108, г. Харьков, ул. Академическая, 1, Украина, imagda@online.kharkiv.com; НТЦ «Электрофизической обработки» НАНУ, 61002 г. Харьков, а.я. 8812, Украина
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-111167
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 1562-6016
language Russian
last_indexed 2025-12-07T17:22:29Z
publishDate 2003
publisher Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
record_format dspace
spelling Магда, И.И.
Пащенко, А.В.
Романов, С.С.
Шапова, И.Н.
2017-01-08T16:55:45Z
2017-01-08T16:55:45Z
2003
К теории пучковых обратных связей в генераторах с виртуальным катодом / И.И. Магда, А.В. Пащенко, С.С. Романов, И.Н. Шапова // Вопросы атомной науки и техники. — 2003. — № 4. — С. 167-170. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.
1562-6016
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/111167
533.9
Рассмотрена самосогласованная нестационарная модель пучковой обратной связи в приборах с виртуальным катодом (ВК), использующая неустойчивость потока в катод-анодном промежутке и нелинейное взаимодействие частиц с колебаниями ВК. Нелинейные процессы в этих областях описываются на основе взаимодействия связанных генераторов Ван дер Поля - Дуффинга.
ru
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
Вопросы атомной науки и техники
Нелинейные процессы
К теории пучковых обратных связей в генераторах с виртуальным катодом
Article
published earlier
spellingShingle К теории пучковых обратных связей в генераторах с виртуальным катодом
Магда, И.И.
Пащенко, А.В.
Романов, С.С.
Шапова, И.Н.
Нелинейные процессы
title К теории пучковых обратных связей в генераторах с виртуальным катодом
title_full К теории пучковых обратных связей в генераторах с виртуальным катодом
title_fullStr К теории пучковых обратных связей в генераторах с виртуальным катодом
title_full_unstemmed К теории пучковых обратных связей в генераторах с виртуальным катодом
title_short К теории пучковых обратных связей в генераторах с виртуальным катодом
title_sort к теории пучковых обратных связей в генераторах с виртуальным катодом
topic Нелинейные процессы
topic_facet Нелинейные процессы
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/111167
work_keys_str_mv AT magdaii kteoriipučkovyhobratnyhsvâzeivgeneratorahsvirtualʹnymkatodom
AT paŝenkoav kteoriipučkovyhobratnyhsvâzeivgeneratorahsvirtualʹnymkatodom
AT romanovss kteoriipučkovyhobratnyhsvâzeivgeneratorahsvirtualʹnymkatodom
AT šapovain kteoriipučkovyhobratnyhsvâzeivgeneratorahsvirtualʹnymkatodom