Генерирование СВЧ-излучения вращающимся слоем электронов в свободном пространстве

Теоретически исследованы механизмы генерирования аксиально-неоднородных электромагнитных волн электронами, вращающимися в радиальном электростатическом и аксиальном магнитном полях в свободном пространстве ( в отсутствие внешней стенки коаксиального резонатора). Показано, что генерирование колебаний...

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :Вопросы атомной науки и техники
Дата:2000
Автори: Долгополов, В.В., Егоров, А.М., Кириченко, Ю.В.
Формат: Стаття
Мова:Російська
Опубліковано: Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України 2000
Теми:
Онлайн доступ:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/81632
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:Генерирование СВЧ-излучения вращающимся слоем электронов в свободном пространстве / В.В. Долгополов, А.М. Егоров., Ю.В. Кириченко // Вопросы атомной науки и техники. — 2000. — № 1. — С. 160-163. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1859711497859497984
author Долгополов, В.В.
Егоров, А.М.
Кириченко, Ю.В.
author_facet Долгополов, В.В.
Егоров, А.М.
Кириченко, Ю.В.
citation_txt Генерирование СВЧ-излучения вращающимся слоем электронов в свободном пространстве / В.В. Долгополов, А.М. Егоров., Ю.В. Кириченко // Вопросы атомной науки и техники. — 2000. — № 1. — С. 160-163. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.
collection DSpace DC
container_title Вопросы атомной науки и техники
description Теоретически исследованы механизмы генерирования аксиально-неоднородных электромагнитных волн электронами, вращающимися в радиальном электростатическом и аксиальном магнитном полях в свободном пространстве ( в отсутствие внешней стенки коаксиального резонатора). Показано, что генерирование колебаний возможно за счет поперечного черенковского резонанса. Получено дисперсионное уравнение, описывающее взаимодействие волн с нерелятивистскими электронами. Найдены частоты и инкременты излучаемых волн. Показано, что частота ω слабо зависит от kz ( kz - аксиальная проекция волнового вектора). Это позволяет снять ограничения на частоту генерируемой волны при условии kz ∝ ω/c . Показано, что достаточно большое радиальное электростатическое поле может существенно увеличить частоту излучения независимо от значения поля B₀, включая случай B₀ = 0. При этом инкремент растет при увеличении частоты. Показано, что при некоторых условиях волна распространяется в аксиальном направлении, не теряя энергию на излучение в радиальном направлении.
first_indexed 2025-12-01T06:09:48Z
format Article
fulltext ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ 2000. №1. Серия: Плазменная электроника и новые методы ускорения (2), с. 160-163. 160 УДК 533.9 ГЕНЕРИРОВАНИЕ СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ ВРАЩАЮЩИМСЯ СЛОЕМ ЭЛЕКТРОНОВ В СВОБОДНОМ ПРОСТРАНСТВЕ В.В. Долгополов, А.М. Егоров, Ю.В. Кириченко ННЦ ХФТИ, Харьков, Украина Теоретически исследованы механизмы генерирования аксиально-неоднородных электромагнитных волн электронами, вращающимися в радиальном электростатическом и аксиальном магнитном полях в свободном пространстве ( в отсутствие внешней стенки коаксиального резонатора). Показано, что генерирование колебаний возможно за счет поперечного черенковского резонанса. Получено диспер- сионное уравнение, описывающее взаимодействие волн с нерелятивистскими электронами. Найдены частоты и инкременты излучаемых волн. Показано, что частота ω слабо зависит от k z ( k z - аксиаль- ная проекция волнового вектора). Это позволяет снять ограничения на частоту генерируемой волны при условии k cz ∝∝∝∝ ω / . Показано, что достаточно большое радиальное электростатическое поле мо- жет существенно увеличить частоту излучения независимо от значения поля B0 , включая случай B0 0==== . При этом инкремент растет при увеличении частоты. Показано, что при некоторых условиях волна распространяется в аксиальном направлении, не теряя энергию на излучение в радиальном на- правлении. 1. Введение В работе [1], в связи с объяснением процессов генерации электромагнитного излучения в системе типа орбитрон, исследовано поведение тонкого слоя электронов, вращающихся вокруг оси цилиндриче- ского резонатора с положительно заряженной нитью на оси. Дополнив такую систему аксиальным маг- нитным полем, можно увеличить плотность и ско- рость электронов, а следовательно, мощность и час- тоту излучения волн. Процесс генерирования элек- тромагнитных волн в такой системе электронами исследовался в работах [1-5], плазмой [6]. В случае коротких волн стенки резонатора прак- тически не влияют на дисперсионные свойства гене- рируемых колебаний, поэтому целесообразно иссле- довать возможность генерирования электромагнит- ных волн электронами, вращающимися в свободном пространстве в отсутствие внешнего цилиндра коак- сиального резонатора. Помимо этого генерация волн вращающимся слоем электронов в отсутствие внешней проводящей стенки представляет самостоя- тельный интерес. Аксиально-однородные колебания ( k z ==== 0 , k z - аксиальная проекция волнового вектора) рассмотре- ны в работах [7,8]. Там было показано, что частота генерируемых волн определяется выражением Re( )ω ==== −−−− mV r , (1) где r−−−− - радиус слоя электронов, V - азимутальная скорость электронов, m - номер азимутальной гар- моники. В этих работах найдены также условия, при которых инкремент неустойчивой волны растет с увеличением m . Однако результаты, полученные в [7,8], справедливы при довольно жестких ограничени- ях на m . В работах [9,10]исследована возможность генери- рования аксиально-неоднородных волн в потенци- альном приближении, когда k cz >>>>>>>> Re( ) /ω (c - скорость света). Инкременты таких волн также рас- тут при увеличении m . Однако и в этом случае имеются сильные ограничения на m . В настоящей работе показано, что ограничения на m , имеющиеся в работах [7-10], могут быть сняты при генерировании аксиально-неоднородных волн при условии k cz ≈≈≈≈ ω . (2) Для этого приходится отказаться от потенциального приближения, использованного в [9,10]. 2. Вывод дисперсионного уравнения Рассмотрим неограниченный вдоль оси z (ис- пользуется цилиндрическая система координат r z, ,ϕ ) цилиндрический слой электронов, вращаю- щихся вокруг оси, на которой находится металличе- ская заряженная нить с линейной плотностью заряда Q. Радиус нити а предполагается малым, а ее прово- димость большой настолько, что потерями в нити можно пренебречь. Электроны удерживаются на равновесных круговых орбитах радиальным элек- тростатическим полем E r Q r0 2( ) /==== и внешним аксиальным магнитным полем B0 . Заметим, что E r0 ( ) может иметь разные знаки. Возмущение ско- рости !v , плотности n, электромагнитных полей! ! E H, следующим образом зависят от координат и времени ! ! ! v n E H i m k z tz, , , exp[ ( )]∝∝∝∝ ++++ −−−−ϕ ω . (3) Мы пренебрегаем собственными постоянным элек- тростатическим и магнитным полями слоя электро- нов. Исследования проводятся в гидродинамическом приближении. Невозмущенная плотность электро- нов n r0 ( ) отлична от нуля между поверхностями r r==== −−−− и r r==== ++++ , причем 161 δ ==== −−−− <<<<<<<<++++ −−−− −−−− r r r 1 (4) Из линеаризованных уравнений непрерывности и Лоренца получаем формулы для n и !v . В случае аксиально неоднородных волн имеется особенность, затрудняющая вывод дифференциального уравнения для компоненты E ϕ . Если k z ==== 0 , то компоненты поля H E Ez r, ,ϕ удовлетворяют трем уравнениям Максвелла, которые содержат только эти компонен- ты. Путем исключения из этих уравнений компонент H Ez r, в [1,7,8] было получено дифференциальное уравнение для E ϕ , Теперь, когда k z ≠≠≠≠ 0 все шесть компонент векторов ! ! E H, оказываются связанными между собой. Чтобы обойти эту трудность, предпо- ложим, что электроны находятся в условиях попе- речного черенковского резонанса с волной возму- щений ω ωm r mV r ( )−−−− −−−− ≡≡≡≡ −−−− ≈≈≈≈ 0 . (5) Условие (5) позволяет в нерелятивистском прибли- жении получить из уравнения rotE i c H ! ! ==== ω следую- щие соотношения между компонентами векторов! ! E H, E V c H k r m Ez r z−−−− ≈≈≈≈ ϕ , E V c H i m d dr rEr z++++ ≈≈≈≈ −−−− 1 ( )ϕ . (6) Эти формулы, в свою очередь, позволяют следую- щим образом представить возмущения плотности заряда ρ и тока ! j 4 2 2 π ω ω ϕ ϕj Wm d dr rE W Er m d==== −−−− Ω Ω ( ) , (7) 4 2 π ω ϕj rk m Ez z m ==== Ω (8) 4 2 π ω ω ωϕ ϕj i V r V W m d dr rEc m ==== −−−− ++++ ′′′′ −−−− ++++ Ω ( / ) ( ) ++++ ++++       −−−−i W Vrk m Ez m Ω Ω2 2 2 2 ω ω ϕ (9) −−−− −−−−      i V r d dr r Wm d dr rE r W E m m d ω ω ω ϕ ϕ Ω Ω2 2 ( ) 4πρ ω ω ϕ==== −−−− ++++ ′′′′ −−−− ++++i V r V W r d dr rEc m ( / ) ( ) i m rW rk m Ez m Ω Ω2 2 2 2++++       −−−− ω ϕ −−−− −−−−      i r d dr r W m d dr rE r W E m m d1 2 2 ω ω ω ϕ ϕ Ω Ω ( ) , (10) где Ω 2 2 04==== πe n r me( ) / , ω ωm mV r==== −−−− / , W V r dV drm d c==== −−−− ++++ −−−−ω ω ω2 ( ) , ω ωd cV r==== −−−−2 / , ωc eeB m c==== 0 / , −−−− <<<<e 0 , me - заряд и масса элек- трона. Используя формулы (7-10) получим из компо- нент уравнения rotH c j i c E ! ! ! ==== −−−− 4π ω дифферен- циальное уравнение для E ϕ d dr W r d dr rE m r W Ed m 1 2 2 2 −−−−       ++++         Ω Ω ( )ϕ ϕ ω ω = Ω 2 m W d dr rEd m ω ω ϕ( ) + k r m r k z z m 2 2 2 2 2 2 2++++ −−−− −−−−    Ω ω (11) −−−− −−−− −−−−              Ω2 2 21m W dV dt V r d m ω ω . Компоненты H z и Ez поля возмущений удовлетво- ряют уравнениям r d dr r d dr E r m Ez z     ++++ −−−− ====( )κ 2 2 2 −−−− ++++i c r j i k rz z 4 42 2 2πω π ρ, (12) r d dr r d dr H r m Hz z     ++++ −−−− ====( )κ 2 2 2 i m c r j c r d dr rjr 4 4π π ϕ−−−− ( ) , (13) где κ ω2 2 2 2==== −−−−/ c k z . Можно показать, что в усло- виях черенковского резонанса (1) имеет место нера- венство −−−− ++++ <<<<<<<<4 42 2 2πω π ρ c r j k rz z i m c r j c r d dr rjr 4 4π π ϕ−−−− ( ) , (14) которое равносильно условию | |m δ <<<<<<<<1 (15) и которое выполняется в силу предположений (2) и (5). Неравенство (15) означает, что | | | |H Ez z>>>>>>>> . (16) Другими словами, в условиях черенковского резо- нанса цилиндрический слой электронов генерирует преимущественно H-волну. Учитывая, что слой электронов является узким (4), решение уравнения (11) в области r r r−−−− ++++<<<< <<<< , как и в работах [1,2], можно искать методом последова- тельных приближений. В результате с точностью до слагаемого первого порядка по малому параметру δ получим граничные условия, связывающие поля в области a r r≤≤≤≤ ≤≤≤≤ −−−− с полями в области r r>>>> ++++ dH dr dH dr z r z r++++ −−−− ==== , H H r G dH drz r z r m z r ++++ −−−− −−−− −−−− ==== −−−− 1 2ω ( ) ,(17) где G dr E r m r E r m rr r e c e c ==== −−−− −−−− ++++ ++++ −−−− ++++ ∫∫∫∫ Ω Ω Ω 2 0 2 2 2 0 2 2 2 2 ( ) / ( ) / µ ω ω , (18) 162 µ ==== −−−−k r mz / . В (18) учтено, что | |µ <<<<<<<<1 . (19) Неравенство (19) следует из формул (1,2). В дальнейшем нас будет интересовать возмож- ность генерации волны при условии ω2 2 2 2 4 c k r mz−−−− <<<<<<<< | | . (20) Рассмотрим сначала случай, когда κ ω2 2 2 2 0≡≡≡≡ −−−− >>>> c k z . (21) Компонента H z в вакууме является решением урав- нения (13), где следует положить j jz ==== ====ϕ 0 . Усло- вие (20) позволяет воспользоваться разложениями функций Бесселя и Неймана при a r r<<<< <<<< −−−− и функ- ций Ханкеля при r r>>>> ++++ по малому аргументу. В результате компонента поля Hz будет определяться формулами H A x B x a r r x m i m x r r z m m m m m m ==== ++++ <<<< <<<< −−−− −−−− <<<<       −−−− ++++ | | | | | | | | | | | | , ( ) | |! | |! , ( ) 22 2 1 2 23 π где x r==== κ . Будем считать, что на поверхности нити H z r a==== ==== 0 . (24) Воспользовавшись граничными условиями (17,24) для поля (22,23), получим для случая κ 2 0>>>> дис- персионное уравнение ω η ηm r m r G i( ) | | ( )−−−− −−−− ==== −−−− −−−− −−−−2 2 1 1 2 ∆ , (25) ∆ ==== −−−− −−−− <<<<<<<<−−−−η η π κ1 2 1 2 1 2 2 ( Re ) (| | )! | |! | | | | r m m m m , (26) где η ==== >>>>−−−−( / ) | |r a m2 1. Параметр ∆ характеризует по- тери на излучение в свободное пространство при κ2 0>>>> . Если выполняется неравенство κ 2 0<<<< , (27) то условие (20) позволяет воспользоваться разложе- ниями модифицированных функций Бесселя I x K xm m( ), ( ) . Компонента поля H z в этом случае определяется формулами (22,23), причем в (23) от- сутствует первое слагаемое. В результате получаем дисперсионное уравнение вида (25), где ∆ ==== 0 , что соответствует отсутствию потерь на излучение в свободное пространство. 3. Анализ результатов Из дисперсионного уравнения (25) следует, что Re( )ω генерируемой волны определяется формулой (1). При достаточно больших электрических полях E r0 ( ) , когда выполняется условие G >>>> 0 (28) из уравнения (25) получаем инкремент нарастающей во времени волны Im( ) | | / / /ω η η ==== −−−−      −−−− m r G1 2 1 2 1 21 2 . (29) Из формул (1,29) следует, что при условии (28) ин- кремент и частота растут с увеличением | |m . Одна- ко, в отличие от случаев, рассмотренных в работах [7-10], величина | |m в (1,29) не ограничена сверху. Действительно, комплексная частота ω , опреде- ляемая формулами (1,29) слабо зависит от k z . При B0 0≠≠≠≠ эта зависимость проявляется в членах по- рядка δ1 2/. . При B0 0==== зависимость ω от k z еще слабее. Это позволяет соответствующим выбором k z (так, чтобы k cz ∝∝∝∝ ω / ) удовлетворить неравен- ству (20) при любых | |m . Значит, ограничений на | |m , связанных с величинами V k rz, , −−−− [7-10], в настоящей работе нет. Ограничения на m , обуслов- ленные условием (15), является общим для прибли- жения тонкого слоя. Инкремент (29) монотонно растет при увеличении E r0 ( )−−−− . Если выполняется условие G <<<< 0 (30) ( E r0 ( )−−−− достаточно мало или E r0 ( )−−−− <0), то неус- тойчивость волны обусловлена диссипативными процессами. Инкременты этих волн малы ( Im( ) /ω δ∝∝∝∝ 1 2∆ ) и убывают с ростом | |m . 4. Заключение В настоящей работе рассмотрено генерирование аксиально неоднородных волн при произвольном соотношении между k z и ω / c . Показано, что ради- альное электростатическое поле, удовлетворяющее условию E r0 ( )−−−− >0, 2 0 2 2 2eE r m re c ( )−−−− −−−− >>>> ++++Ω µ ω (31) может существенно увеличить частоту генерируе- мых волн, независимо от значения магнитного поля, включая случай B0 0==== . ( Ω - среднее значение плазменной частоты). При этом инкремент волны растет при увеличении частоты. При κ 2 0>>>> генери- руемая волна рассеивается в открытое пространство. При κ 2 0≤≤≤≤ в случае бесконечного цилиндрического слоя электронов волна распространяется в аксиаль- ном направлении, не теряя энергию. Полубесконеч- ный цилиндрический слой будет излучать волну со своего торца. Отметим в заключение, что увеличе- ние частоты генерируемых волн за счет большихm не требует дополнительных затрат энергии на уве- личение внешних полей E r0 ( ) и B0 . Литература 1. В.В.Долгополов, Ю.В.Кириченко, Ю.Ф.Лонин, И.Ф.Харченко. Генерирование электромагнитных волн в цилиндрическом резонаторе электронами, вращающимися в радиальном электростатическом поле// ЖТФ, 1998, т.68, Вып.8, с.91. 163 2. В.В.Долгополов, Ю.В.Кириченко, М.В.Долгополов. Генерирование электромагнитных волн электрона- ми, вращающимися в скрещенных радиальном элек- тростатическом и аксиальном магнитном полях// Изв. Вузов. Радиоэлектроника, 1997, т.40, №12. с.16. 3. В.В.Долгополов, Ю.В.Кириченко, И.Ф.Харченко. Генерация электромагнитных волн релятивистст- скими электронами, вращающимися в радиальном электростатическом поле// Изв.Вузов. Радиоэлек- троника, 1999, т.42, №2, с.33. 4. Ю.В.Кириченко. Генерирование электромагнит- ных волн релятивистскими электронами в резонато- ре со скрещенными радиальным электростатическом и аксиальным магнитном полями в условиях плаз- менного резонанса//ЖТФ,1999, т.69, вып.6, с.112. 5. В.В.Долгополов, Ю.В.Кириченко. Генерирова- ние электромагнитных волн вращающимся цилинд- рическим слоем электронов// Письма в ЖТФ, 2000, т.26, Вып.4, с.18. 6.В.В.Долгополов, М.В.Долгополов, Ю.В.Кириченко. Генерирование электромагнитных волн вращаю- щейся плазмой// ЖТФ, 1999, т.69, Вып.2, с.16. 7. В.В.Долгополов, Ю.В.Кириченко. Генерирова- ние электромагнитных волн электронами, вращаю- щимися в радиальном электростатическом поле в свободном пространстве//Письма в ЖТФ, 1999. Т.25, Вып.21, С.1. 8. В.В.Долгополов, Ю.В.Кириченко. Генерирова- ние электромагнитных волн электронами, вращаю- щимися в скрещенных радиальном электростатиче- ском и аксиальном магнитном полях в свободном пространстве //Изв.Вузов.Радиоэлектроника, 2000, т.43, №2, с.29. 9. Ю.В.Кириченко. Генерирование и усиление электромагнитных колебаний трубчатым пучком электронов в скрещенных радиальном электростати- ческом и аксиальном магнитном полях в свободном пространстве// Изв.Вузов. Радиоэлектроника, 2000, т.43, №3, с.52. 10. Ю.В.Кириченко. Генерирование и усиление электромагнитных колебаний трубчатым пучком электронов в радиальном электростатическом поле в свободном пространстве//ЖТФ, 2000, т.70, Вып.8, с.126.
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-81632
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 1562-6016
language Russian
last_indexed 2025-12-01T06:09:48Z
publishDate 2000
publisher Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
record_format dspace
spelling Долгополов, В.В.
Егоров, А.М.
Кириченко, Ю.В.
2015-05-18T16:58:35Z
2015-05-18T16:58:35Z
2000
Генерирование СВЧ-излучения вращающимся слоем электронов в свободном пространстве / В.В. Долгополов, А.М. Егоров., Ю.В. Кириченко // Вопросы атомной науки и техники. — 2000. — № 1. — С. 160-163. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.
1562-6016
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/81632
533.9
Теоретически исследованы механизмы генерирования аксиально-неоднородных электромагнитных волн электронами, вращающимися в радиальном электростатическом и аксиальном магнитном полях в свободном пространстве ( в отсутствие внешней стенки коаксиального резонатора). Показано, что генерирование колебаний возможно за счет поперечного черенковского резонанса. Получено дисперсионное уравнение, описывающее взаимодействие волн с нерелятивистскими электронами. Найдены частоты и инкременты излучаемых волн. Показано, что частота ω слабо зависит от kz ( kz - аксиальная проекция волнового вектора). Это позволяет снять ограничения на частоту генерируемой волны при условии kz ∝ ω/c . Показано, что достаточно большое радиальное электростатическое поле может существенно увеличить частоту излучения независимо от значения поля B₀, включая случай B₀ = 0. При этом инкремент растет при увеличении частоты. Показано, что при некоторых условиях волна распространяется в аксиальном направлении, не теряя энергию на излучение в радиальном направлении.
ru
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
Вопросы атомной науки и техники
Нерелятивистская плазменная элeктрoника
Генерирование СВЧ-излучения вращающимся слоем электронов в свободном пространстве
Article
published earlier
spellingShingle Генерирование СВЧ-излучения вращающимся слоем электронов в свободном пространстве
Долгополов, В.В.
Егоров, А.М.
Кириченко, Ю.В.
Нерелятивистская плазменная элeктрoника
title Генерирование СВЧ-излучения вращающимся слоем электронов в свободном пространстве
title_full Генерирование СВЧ-излучения вращающимся слоем электронов в свободном пространстве
title_fullStr Генерирование СВЧ-излучения вращающимся слоем электронов в свободном пространстве
title_full_unstemmed Генерирование СВЧ-излучения вращающимся слоем электронов в свободном пространстве
title_short Генерирование СВЧ-излучения вращающимся слоем электронов в свободном пространстве
title_sort генерирование свч-излучения вращающимся слоем электронов в свободном пространстве
topic Нерелятивистская плазменная элeктрoника
topic_facet Нерелятивистская плазменная элeктрoника
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/81632
work_keys_str_mv AT dolgopolovvv generirovaniesvčizlučeniâvraŝaûŝimsâsloemélektronovvsvobodnomprostranstve
AT egorovam generirovaniesvčizlučeniâvraŝaûŝimsâsloemélektronovvsvobodnomprostranstve
AT kiričenkoûv generirovaniesvčizlučeniâvraŝaûŝimsâsloemélektronovvsvobodnomprostranstve