Влияние периодической неоднородности эмиссии электронов на спектр колебаний в генераторе на магнитоизолированной передающей линии
Исследовано возбуждение широкополосных колебаний в генераторе на магнитоизолированной передающей линии (magnetically insulated transmission line oscillator − MILO) за счет использования периодической неоднородности эмиссии электронов с поверхности катода. Получены спектральные характеристики излучен...
Saved in:
| Date: | 2010 |
|---|---|
| Main Authors: | , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2010
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/17293 |
| 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: | Влияние периодической неоднородности эмиссии электронов на спектр колебаний в генераторе на магнитоизолированной передающей линии / А.М. Горбань, Ю.Ф. Лонин // Вопросы атомной науки и техники. — 2010. — № 4. — С. 30-33. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860266323291930624 |
|---|---|
| author | Горбань, А.М. Лонин, Ю.Ф. |
| author_facet | Горбань, А.М. Лонин, Ю.Ф. |
| citation_txt | Влияние периодической неоднородности эмиссии электронов на спектр колебаний в генераторе на магнитоизолированной передающей линии / А.М. Горбань, Ю.Ф. Лонин // Вопросы атомной науки и техники. — 2010. — № 4. — С. 30-33. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| description | Исследовано возбуждение широкополосных колебаний в генераторе на магнитоизолированной передающей линии (magnetically insulated transmission line oscillator − MILO) за счет использования периодической неоднородности эмиссии электронов с поверхности катода. Получены спектральные характеристики излучения и сравнительные оценки достижимой амплитуды напряженности поля электромагнитной волны.
Досліджене збудження широкосмугових коливань в генераторі на магнітоізольованій передаючій лінії (magnetically insulated transmission line oscillator − MILO) за рахунок використання періодичної неоднорідності емісії електронів з поверхні катоду. Отриманo спектральні характеристики випромінювання та порівняльні оцінки досяжної амплітуди напруженості поля електромагнітної хвилі.
Excitation of broadband oscillations in the magnetically insulated transmission line oscillator (MILO) is investigated due to use of periodic heterogeneity of electrons emission from a cathode surface. Spectral characteristics of radiation and comparative estimations of achievable intensity of an electromagnetic wave field are received.
|
| first_indexed | 2025-12-07T19:01:07Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 533.9; 538.311
ВЛИЯНИЕ ПЕРИОДИЧЕСКОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ ЭМИССИИ
ЭЛЕКТРОНОВ НА СПЕКТР КОЛЕБАНИЙ В ГЕНЕРАТОРЕ
НА МАГНИТОИЗОЛИРОВАННОЙ ПЕРЕДАЮЩЕЙ ЛИНИИ
А.М. Горбань, Ю.Ф. Лонин
Национальный научный центр "Харьковский физико-технический институт",
Харьков, Украина
E-mail: gorban@kipt.kharkov.ua
Исследовано возбуждение широкополосных колебаний в генераторе на магнитоизолированной пере-
дающей линии (magnetically insulated transmission line oscillator − MILO) за счет использования периодиче-
ской неоднородности эмиссии электронов с поверхности катода. Получены спектральные характеристики
излучения и сравнительные оценки достижимой амплитуды напряженности поля электромагнитной волны.
1. ВВЕДЕНИЕ
Генератор на магнитоизолированной передаю-
щей линии представляет собой протяженную ци-
линдрически симметричную коаксиальную систему,
внешний электрод которой является анодом, а внут-
ренний − катодом. На внутренней стороне анода
расположена замедляющая структура. К одному
концу такой коаксиальной линии подключен источ-
ник напряжения, а другой ее конец обычно закоро-
чен омическим сопротивлением. Если напряжен-
ность электрического поля в линии превосходит
пороговое значение, происходит взрывная эмиссия
электронов из поверхности катода в вакуумный
промежуток. В дальнейшем, в случае достижения
током некоторого минимально необходимого значе-
ния, в линии устанавливается режим магнитной са-
моизоляции, при котором движение электронов
представляет собой дрейф вдоль продольной оси.
Такой электронный поток, взаимодействуя с полем
волны замедляющей структуры, может передавать
ему свою энергию.
В [1,2] исследовалась возможность эффективной
генерации в таких приборах широкополосных и
многочастотных СВЧ-колебаний за счет использо-
вания комбинированных замедляющих структур.
Рассматривались совмещенные структуры, пред-
ставляющие собой комбинацию двух регулярных
гребенок с различными геометрическими парамет-
рами. Предполагается, что первоначально в элек-
тронном потоке возбуждаются две волны плотности
заряда, связанные с соответствующими замедляю-
щими структурами. Их нелинейное взаимодействие
приводит к формированию волны плотности заряда
сложной структуры с широким спектром простран-
ственных гармоник. Была показана возможность
управления в широких пределах пространственной
структурой волны плотности заряда и достаточно
эффективной генерации многочастотных СВЧ-
колебаний с шириной полосы частот приблизитель-
но в октаву.
В настоящей работе исследована возможность
возбуждения в генераторах на магнитоизолирован-
ной передающей линии широкополосных СВЧ-
колебаний, используя обычную регулярную замед-
ляющую структуру. Базовая идея состоит в том, что
можно сформировать волну плотности заряда в за-
магниченном электронном потоке, обеспечив пе-
риодическую неоднородность эмиссии электронов с
поверхности катода. Например, вдоль поверхности
катода периодически изменять порог взрывной
эмиссии (свойства материала катода). Или изменять
напряженность радиального электрического поля у
катода, профилируя его поверхность. И в том, и в
другом случае будет формироваться волна плотно-
сти, распространяющаяся вдоль системы с дрейфо-
вой скоростью ϕHEr , где − напряженность
радиального электрического поля, а − напря-
женность азимутального магнитного поля. Взаимо-
действие этой волны с волной, связанной с замед-
ляющей структурой, может обеспечить возбуждение
в электронном потоке колебаний в широкой полосе
частот. Отдельный вопрос – насколько эффективно
при этом будет возбуждаться широкополосное элек-
тромагнитное излучение в системе с гребенчатой
замедляющей структурой. По-видимому, это будет
определяться установившимся разбросом дрейфо-
вых скоростей электронов потока.
rE
ϕH
Использованный метод исследования – числен-
ное моделирование методом макрочастиц. Исследо-
вались характеристики системы с гладким катодом.
Затем, при сохранении прочих параметров, исследо-
валась модель, в которой поверхность катода про-
филировалась периодическими проточками. Полу-
ченные результаты сравнивались на предмет дости-
жимого уширения полосы генерации и ее относи-
тельной эффективности.
2. РАСЧЕТНАЯ МОДЕЛЬ
Электромагнитные поля находились решением
уравнений Максвелла с использованием скалярного
Φ и векторного A
r
потенциалов в кулоновской ка-
либровке вектор-потенциала, как описано в [3]. В
этом случае уравнения имеют вид:
,4πρ−=ΔΦ (1)
,41
2
2
2 Tjct
A
c
A
r
r
r π
−=
∂
∂
−Δ (2)
,ξ∇−≡ jjT
rr
(3)
где величина ξ , определяемая соотношением
_______________________________________________________________
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2010. № 4.
Серия: Плазменная электроника и новые методы ускорения (7), с.30-33. 30
j
r
⋅∇=Δξ , (4)
обеспечивает калибровочное условие 0=∇ A
r
. Здесь
ρ и j
r
− плотность заряда и тока соответственно, с
– скорость света. Напряженности электрического E
r
и магнитного H
r
полей таковы:
.1, Φ∇−
∂
∂
−=×∇=
t
A
c
EAH
r
rrr
(5)
Как указано в [4], поля, определяемые из (1)-(5)
совпадают с полями, полученными непосредственно
из уравнений Максвелла. Основным достоинством
использованной процедуры расчета полей, по наше-
му мнению, является высокая устойчивость к нако-
плению ошибок при продолжительных расчетах.
Значения плотностей зарядов и токов ( ρ и j
r
)
вычислялись способом взвешивания по площадям
(метод CIC) на равномерной прямоугольной сетке.
Действующая на частицу сила определялась по об-
ращенной процедуре взвешивания для сеточных
значений полей.
Для частиц решались релятивистские уравнения
движения в переменных координата − импульс ( rr и
). Эмиссия частиц с катода происходила на каж-
дом временном шаге в точках, где напряженность
поперечной составляющей поля превосходила
заданное значение. При достижении любой границы
области частица поглощалась.
pr
E
r
В предположении аксиальной симметрии систе-
мы в цилиндрических координатах zr ,,ϕ сущест-
вуют две компоненты электрического Er, Ez и одна
Hφ магнитного поля. Соответственно фазовое про-
странство частицы описывается координатами r, z,
pr и pz. Таким образом, модель имеет размерность
2d2v. Расчетная область может иметь границу про-
извольной формы.
Рис.1. Схема модели генератора
Общая схема исследуемой модели генератора
представлена (без сохранения масштаба) на Рис.1.
По структуре и геометрическим параметрам она
близка к описанной в [5]. В правой части системы
расположен слой поглотителя электромагнитного
излучения толщиной 4 см. Таким образом имитиро-
вался вывод электромагнитной волны. В первом
варианте поверхность катода гладкая, во втором –
профилированная, как показано на рисунке. Вся
наружная поверхность катода является эмиттером.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ
Далее приводятся результаты расчетов для таких
параметров системы: наружный радиус катода
3,2 см, наружный радиус замедляющей структуры
4,5 см, внутренний радиус гребней структуры со-
ставляет 3,8 см для первых двух (чокеров), 4,0 см –
для семи следующих и 4,1 см, 4,2 см, 4,3 см – для
трех последних гребней. Период гребенки 0,8 см.
Глубина проточек на катоде составляет 0,08 см, ши-
рина – 0,2 см. Расстояние между ними – 1,08 см.
Приложенное напряжение 400 кВ, полный ток в
системе составлял от 50 до 100 кА.
Рис.2. Профиль плотности электронов вблизи
поверхности катода в начальный момент времени
Рис.3. Профиль плотности электронов у поверхно-
сти катода в режиме широкополосной генерации
Профилирование катода приводило к периодиче-
ской пространственной неравномерности интенсив-
ности взрывной эмиссии электронов и, как следствие,
к периодической неоднородности плотности заряда
вблизи поверхности катода, как показано на Рис.2.
График соответствует начальной стадии работы гене-
ратора, когда влиянием поля электромагнитной вол-
ны на электронный поток можно пренебречь.
В дальнейшем поле замедляющей структуры ус-
ложняет картину, однако влияние профилирования
катода на плотность заряда сохраняется. На Рис.3
представлен профиль плотности заряда, соответст-
вующий моменту времени cLz⋅2 , где − длина
системы. Видно, что в результате взаимодействия
двух волн плотности заряда установился профиль
электронной плотности сложной структуры. Спектр
пространственных гармоник этой суммарной волны
плотности представлен на Рис.4.
zL
Ввиду сильной дисперсии гребенчатой замед-
ляющей структуры эффективное возбуждение элек-
тромагнитной волны в широкой полосе частот, тем
31
не менее, возможно только в случае достаточно
большого разброса скоростей (шира скоростей)
дрейфа электронов в скрещенных полях.
Рис.4. Амплитуда пространственных гармоник
волны плотности заряда
На Рис.5 представлен фазовый портрет электро-
нов, движущихся в слое, ограниченном поперечны-
ми координатами в диапазоне от 3,5 до 3,9 см. Для
исключения размытия по скоростям за счет цикло-
тронного вращения произведено усреднение на вре-
менном интервале в cLz⋅03,0 . Как видно из ри-
сунка, отношение максимальной скорости дрейфа к
минимальной составляет ≈2,2. Этот факт позволяет
надеяться, что значительная часть электронного по-
тока может находиться в синхронизме с соответст-
вующими гармониками электромагнитной волны.
Рис.5. Фазовая плоскость Z – VZ электронного
потока в слое 3,5 < R < 3,9 см
Измерение амплитуды электромагнитного поля
выполнялось точечным зондом, положение которого
на Рис.1 отмечено крестиком. Полученные спектры
амплитуд продольного электрического поля Ez для
генератора с гладким (верхний график) и профили-
рованным (нижний график) катодами представлены
на Рис.6. Аналогично на Рис.7. представлены спек-
тры аксиального магнитного поля Hφ. Видно, что
профилирование поверхности катода и, как следст-
вие, интенсивности электронной эмиссии приводит
к существенному расширению полосы генерации
системы.
Для приведенных на Рис.6 примеров отношение
квадратов амплитуд поля Ez для системы с профи-
лированным катодом к системе с гладким катодом в
полосе частот 5…20 ГГц составляет около 0,4.
Для магнитного поля Hφ на Рис.7 соответствую-
щий показатель равен 0,5. Таким образом, зондовые
измерения дают при переходе к широкополосному
режиму генерации снижение мощности примерно
вдвое. Следует заметить, что никакой оптимизации
параметров системы, направленной на повышение
относительной эффективности генерации, в данной
работе не выполнялось.
Рис.6. Амплитудный спектр продольного
электрического поля EZ в случае гладкого (вверху)
и профилированного (внизу) катода
Рис.7. Амплитудный спектр аксиального
магнитного поля Hφ в случае гладкого (вверху)
и профилированного (внизу) катода
В данной работе не рассматривалось возможное
влияние возникающей у поверхности катода плазмы
на его эмиссионные свойства, но, вероятно, пере-
крытие плазмой катодных проточек может изменять
профиль электронной плотности. Этот вопрос, оче-
видно, требует дальнейшего исследования.
Тем не менее, полученные результаты позволяют
рассматривать периодическое профилирование по-
верхности катода как один из возможных способов
32
33
генерации в таких приборах широкополосных и
многочастотных СВЧ-колебаний.
Так же важно и то, что для достижения макси-
мальной эффективности узкополосной генерации в
приборах на магнитоизолированной передающей
линии необходимо обращать внимание на обеспече-
ние стабильности параметров эмиссии электронов.
ЛИТЕРАТУРА
1. А.М. Горбань, Ю.Ф. Лонин. Нелинейные режи-
мы генератора на магнитоизолированной пере-
дающей линии с комбинированной замедляющей
структурой // ВАНТ. Серия “Ядерно-физические
исследования” (49), 2008, №3, с.139-141.
2. А.М. Горбань, Ю.Ф. Лонин. Пространственные
характеристики волны плотности заряда в неод-
нородных магнитоизолированных передающих
линиях // ВАНТ. Серия “Плазменная электрони-
ка и новые методы ускорения”(6). 2008, №4,
с.11-13.
3. R.L. Morse, C.W. Nielson. Numerical simulation of
the Weibel instability in one and two dimensions //
Phys. Fluids. 1971, 14, p.830-840.
4. Ч. Бэдсел, А. Ленгдон. Физика плазмы и числен-
ное моделирование. М.: «Энергоатомиздат»,
1989, с.452.
5. Jin-Chuan Ju, Yu-Wei Fan, Hui-Huang Zhong, and
Ting Shu. An improved X-bandmagnetically insu-
lated transmission line oscillator // Physics of Plas-
mas (16). 2009, №7, 073103, p.4.
Статья поступила в редакцию 07.06.2010 г.
INFLUENCE OF PERIODIC HETEROGENEITY OF ELECTRONS EMISSION ON THE SPECTRUM
OF OSCILLATIONS IN THE MAGNETICALLY INSULATED TRANSMISSION LINE OSCILLATOR
A.M. Gorban, Yu.F. Lonin
Excitation of broadband oscillations in the magnetically insulated transmission line oscillator (MILO) is investi-
gated due to use of periodic heterogeneity of electrons emission from a cathode surface. Spectral characteristics of
radiation and comparative estimations of achievable intensity of an electromagnetic wave field are received.
ВПЛИВ ПЕРІОДИЧНОЇ НЕОДНОРІДНОСТІ ЕМІСІЇ ЕЛЕКТРОНІВ НА СПЕКТР КОЛИВАНЬ
В ГЕНЕРАТОРІ НА МАГНІТОІЗОЛЬОВАНІЙ ПЕРЕДАЮЧІЙ ЛІНІЇ
А.М. Горбань, Ю.Ф. Лонін
Досліджене збудження широкосмугових коливань в генераторі на магнітоізольованій передаючій лінії
(magnetically insulated transmission line oscillator − MILO) за рахунок використання періодичної неоднорідно-
сті емісії електронів з поверхні катоду. Отриманo спектральні характеристики випромінювання та порівня-
льні оцінки досяжної амплітуди напруженості поля електромагнітної хвилі.
INFLUENCE OF PERIODIC HETEROGENEITY OF ELECTRONS EMISSION ON THE SPECTRUM OF OSCILLATIONS IN THE MAGNETICALLY INSULATED TRANSMISSION LINE OSCILLATOR
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-17293 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1562-6016 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T19:01:07Z |
| publishDate | 2010 |
| publisher | Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Горбань, А.М. Лонин, Ю.Ф. 2011-02-25T11:10:03Z 2011-02-25T11:10:03Z 2010 Влияние периодической неоднородности эмиссии электронов на спектр колебаний в генераторе на магнитоизолированной передающей линии / А.М. Горбань, Ю.Ф. Лонин // Вопросы атомной науки и техники. — 2010. — № 4. — С. 30-33. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/17293 533.9; 538.311 Исследовано возбуждение широкополосных колебаний в генераторе на магнитоизолированной передающей линии (magnetically insulated transmission line oscillator − MILO) за счет использования периодической неоднородности эмиссии электронов с поверхности катода. Получены спектральные характеристики излучения и сравнительные оценки достижимой амплитуды напряженности поля электромагнитной волны. Досліджене збудження широкосмугових коливань в генераторі на магнітоізольованій передаючій лінії (magnetically insulated transmission line oscillator − MILO) за рахунок використання періодичної неоднорідності емісії електронів з поверхні катоду. Отриманo спектральні характеристики випромінювання та порівняльні оцінки досяжної амплітуди напруженості поля електромагнітної хвилі. Excitation of broadband oscillations in the magnetically insulated transmission line oscillator (MILO) is investigated due to use of periodic heterogeneity of electrons emission from a cathode surface. Spectral characteristics of radiation and comparative estimations of achievable intensity of an electromagnetic wave field are received. ru Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Нерелятивистская электроника Влияние периодической неоднородности эмиссии электронов на спектр колебаний в генераторе на магнитоизолированной передающей линии Вплив періодичної неоднорідності емісії електронів на спектр коливань в генераторі на магнітоізольованій передаючій лінії Influence of periodic heterogeneity of electrons emission on the spectrum of oscillations in the magnetically insulated transmission line oscillator Article published earlier |
| spellingShingle | Влияние периодической неоднородности эмиссии электронов на спектр колебаний в генераторе на магнитоизолированной передающей линии Горбань, А.М. Лонин, Ю.Ф. Нерелятивистская электроника |
| title | Влияние периодической неоднородности эмиссии электронов на спектр колебаний в генераторе на магнитоизолированной передающей линии |
| title_alt | Вплив періодичної неоднорідності емісії електронів на спектр коливань в генераторі на магнітоізольованій передаючій лінії Influence of periodic heterogeneity of electrons emission on the spectrum of oscillations in the magnetically insulated transmission line oscillator |
| title_full | Влияние периодической неоднородности эмиссии электронов на спектр колебаний в генераторе на магнитоизолированной передающей линии |
| title_fullStr | Влияние периодической неоднородности эмиссии электронов на спектр колебаний в генераторе на магнитоизолированной передающей линии |
| title_full_unstemmed | Влияние периодической неоднородности эмиссии электронов на спектр колебаний в генераторе на магнитоизолированной передающей линии |
| title_short | Влияние периодической неоднородности эмиссии электронов на спектр колебаний в генераторе на магнитоизолированной передающей линии |
| title_sort | влияние периодической неоднородности эмиссии электронов на спектр колебаний в генераторе на магнитоизолированной передающей линии |
| topic | Нерелятивистская электроника |
| topic_facet | Нерелятивистская электроника |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/17293 |
| work_keys_str_mv | AT gorbanʹam vliânieperiodičeskoineodnorodnostiémissiiélektronovnaspektrkolebaniivgeneratorenamagnitoizolirovannoiperedaûŝeilinii AT loninûf vliânieperiodičeskoineodnorodnostiémissiiélektronovnaspektrkolebaniivgeneratorenamagnitoizolirovannoiperedaûŝeilinii AT gorbanʹam vplivperíodičnoíneodnorídnostíemísííelektronívnaspektrkolivanʹvgeneratorínamagnítoízolʹovaníiperedaûčíilíníí AT loninûf vplivperíodičnoíneodnorídnostíemísííelektronívnaspektrkolivanʹvgeneratorínamagnítoízolʹovaníiperedaûčíilíníí AT gorbanʹam influenceofperiodicheterogeneityofelectronsemissiononthespectrumofoscillationsinthemagneticallyinsulatedtransmissionlineoscillator AT loninûf influenceofperiodicheterogeneityofelectronsemissiononthespectrumofoscillationsinthemagneticallyinsulatedtransmissionlineoscillator |