МОДЕЛИРОВАНИЕ МЕТОДОМ КРУПНЫХ ЧАСТИЦ МОЩНОГО КОАКСИАЛЬНОГО УБИТРОНА СВЧ-ДИАПОЗОНА

April 6, 2012 by admin Комментировать »

Рамазанов Р. 3., Сотников Г. В., Ткач Ю. В. ИЭМИ пр. Правды, 5, Харьков-22, 61022, а/я 4580, Украина тел./факс: 057-7051952, e-mail: rustam@iemr.vl.net.ua

Fig. 1. Configurational space (r,z) of beam electrons in a coaxial ubitron in different time (a -1= 3.9ns, 6 – 10ns, в -1 =20ns)

Для численных расчетов были выбраны следующие параметры убитрона: а-2 см, Ь=4 см, п„=2.85 см, Гоцр3.2 см, /ь=3 кА, И/ь=490 кэВ, амплитуда магнитного поля виглера Во= 3 кГс, длина системы zouF96 см, период виглера Lw=4 см.

На рис. 1 приведено конфигурационное (r,z) пространство электронов пучка при его распространении в камере дрейфа для трех различных моментов времени: f=3.9 не — время приблизительно равное моменту, когда первые инжектированные электроны достигают конца убитрона, t= 10 не — время равное моменту выхода амплитуды возбуждаемого электромагнитного поля на насыщение, t=20 не — время приближенно равное окончанию нестационарных процессов в убитроне. Дальнейшая временная динамика частиц в убитроне качественно не отличается от приведенной на рис. 1 в для момента времени t=20 не.

Продольное распределение азимутального электрического поля £ф приведено на рис. 2. В начальный период времени £ф мало почти по всей длине системы и нарастает от входа к выходному концу коаксиального волновода. Максимальное значение достигается вблизи выходного конца волновода (рис. 2а). С течением времени, электромагнитные поля возбуждаемой волны нарастают, сохраняя свой продольный профиль. Т.е. начальное развитие неустойчивости происходит в режиме усиления.

z, cm

z, cm

а)

При моделировании мы использовали граничное условие на правом конце волновода соответствующее условию излучения в свободное пространство. В этом случае убитрон несогласован, в результате чего неизбежно возникают отраженные от выходного торца волновода волны, распространяющиеся навстречу пучку. Вначале амплитуда отраженной волны мала, вследствие малой амплитуды прямой волны. Кроме этого для воздействия на пучок отраженная волна должна вернуться к месту инжекции и отразиться от него, чтобы оказать существенное влияние на развитие неустойчивости. Поэтому, до определенного времени, влияние отраженной волны на динамику пучка и развитие неустойчивости мало. Нами исследуется работа убитрона в режиме усиления, и амплитуда возбуждаемой волны растет от места инжекции пучка к выходу структуры (см. рис. 26). С течением времени, наличие отраженной волны приводит к накоплению энергии обратной волны в системе и выравниванию амплитуды поля по всей ее длине. Продольная структура поля, установившаяся в системе в этом случае, более схожа со структурой поля в резонаторе с той разницей, что длина волны определяется не продольными размерами резонатора, а волновым вектором резонансной волны (рис. 2в).

б)

Как видно из рис. 2 продольная структура поля имеет период =10 см. Этот период в два раза меньше периода, рассчитанного из предположения о том, что продольная скорость полностью определяется начальной инжектируемой энергией частиц.. После входа пучка в поле виглера происходит перестройка продольной скорости в поперечную. В результате, средняя продольная скорость пучка уменьшается, и область взаимодействия пучка с волной перемещается в область больших значений продольных волновых чисел.

Frequency (GHz)

Рис. 3. Частотный спектр тока электронного пучка.

z, cm

в)

Рис. 2. Продольное распределение азимутального поля в сечении r=3 cm в различные моменты времени: а —1=3.9 не; б —1=10 не; в —1=20 не.

Fig. 3. Longitudinal distribution of azimuthal component of electric field in cross section r=3 cm in various time (a

–   t= 3.9ns, 6 – 10ns, в – t =20ns)

Fig. 3 – Frequency spectrum of electron beam current

Частотный спектр тока электронного пучка приведен на рис. 3. Ток пучка промодулирован с частотой =8.3 ГГц. Для численных расчетов эффективности убитрона, а также для контроля точности численной модели нами использовался закон сохранения энергии. На рис. 4 приведена временная динамика энергетических характеристик, нормированных на энергию всех частиц, инжектированных в систему. На начальном этапе, почти до заполнения коаксиального убитрона пучком, потери энергии линейно растут со временем (КПД пучка практически постоянен). При этом вся энергия частиц переходит в энергию электромагнитного поля. Затем линейный режим генерации переходит в нелинейную стадию, и потери энергии пучком быстро нарастают. При этом также растет запасенная в убитроне энергия электромагнитного поля.

t, ns

Рис. 4. Энергетические характеристики коаксиального убитрона: £ь — КПД по потерям энергии пучка; £е — КПД по энергии поля в резонаторе; £s — КПД по излучению.

Fig. 4. Coaxial ubitron energy characteristics: £ь is efficiency of beam energy dissipation; £e is efficiency of

field energy in resonator; £s is radiation efficiency

Возбужденные электромагнитные поля распространяются с групповой скоростью резонансной волны к выходному концу волновода. Излучение из системы растет сначала нелинейно со временем, а с момента выхода запасенной энергии на стационар, практически по линейному закону. В конце концов, устанавливается квазистационарное состояние, когда величина потерь энергии частицами равна излученной энергии. В этом состоянии КПД по пучку £ь~ 20% КПД по излучению £s = 14%, КПД по запасенной энергии £е~ 6%.

I.    Заключение

Анализ численных результатов показал, что до определенного момента времени, определяемого приходом отраженной от выходного конца волновода волны на вход, моделируемый убитрон работает в усилительном режиме. При этом частота и волновой вектор резонансной волны совпадает с частотой и волновым вектором, полученным из линейного дисперсионного уравнения. Наличие отраженной волны обеспечивает внутреннюю связь и работа СВЧ- прибора переходит в режим автогенерации. При выбранных параметрах пучка излученная мощность = 200 МВт.

II.   Список литературы

[1]   Phillips R. М. IRE Trans. Electron Devices. — 1960. — N. ED-7.— P. 231-241.

[2]   Петелин М. И., Смиргонский А. В. Известия ВУЗов. Радиофизика. 1973. Т. 16, № 2. С. 294-304.

[3]   Ткач Ю. В., Файнберг Я. Б., Гадецкий Н. П. и др. Письма в ЖЭТФ. 1975. Т. 22, Вып. 3. — С. 136-139.

[4]   Phillis R. М. History of Ubitron. 1988. V. А272. P. 1 -9.

[5]   Freund H. P., Jackson R. H., Pershing D. E. and Taccetti J. M. Phys. Plasma. 1994. V. 1, № 4. P. 1046-1059.

[6]   Bakcum A. J., McDermott D. S., Phillips R. M. and Luh- mann N. C., Jr. IEEE Trans, on Plasma Science. – 1998. – V. 26, № 3. — P. 548-555.

[7]   Березин Ю. А., Вшивков В. А. Метод частиц в динамике разреженной плазмы. – Новосибирск: Наука. – 1986.

PIC SIMULATION OF POWERFUL MICROWAVE COAXIAL UBITRON

Ramazanov R. Z., Sotnikov G. V., Tkach Yu. V.

Institute for Electromagnetic Researches Kharkov, 61022, Ukraine

Phone: 057-7051952, E-mail: rustam@iemr.vl.net.ua

Abstract – Results of numerical simulation of powerful coaxial UHF-ubitron are given. We received these results using the numerical 2.5-dimensional electromagnetic code, which we developed. This code is based on the PIC method. In the work the algorithm adapted to the coaxial ubitron geometry is described. The numerical analysis of ubitron operation in amplification and in generation regimes is given.

I. Introduction

Researches of electronic devices based on electron coherent radiation, moving in periodic static electric and magnetic fields, have begun many years ago [1]. Cylindrical ubitron configurations were basically used at theoretical analysis [2] and experimental realizations [3, 4]. The new stage in research of these devices is connected with a coaxial configuration [5, 6] in which the periodic magnetic field is created by system of constant magnets periodically located on external and internal conductors of a coaxial line.

For experimental realization of coaxial ubitron we need a theoretical substantiation and exact numerical calculations of output parameters. For present time the theoretical base is rather well developed [5, 6]. Numerical calculations are insufficiently developed. The indispensable tool for their realization is the PIC method widely used in research of powerful microwave devices.

II. Main Part

Let’s consider a coaxial waveguide with internal radius a and the external radius b. An annual relativistic electronic beam is continuously injected to this waveguide. Ib is a current of beam, Wb is energy of beam electrons, rin is inner radius of beam, rouf is outer radius. At the input of drift chamber transverse components of particle velocities are zero-equal, so injected beam is monoenergetic. The input of waveguide (z = 0) is closed by a metal grid, that is transparent for beam particles and opaque to excited waves. Constant magnets are periodically placed on inner and outer conductors of coaxial waveguide along its axis. Poles of external magnets are displaced relative to poles of internal magnets on half-period.

The relativistic electromagnetic 2.5-dimensional code (3- dimensional in velocities and 2-dimensional in coordinates) developed by us, using a PIC method, was used for numerical simulation of ubitron operation [7].

In Fig. 1 – Fig. 4 the results of numerical simulations of coaxial ubitron are presented. For numerical calculations the parameters of ubitron are used: a=2 cm, b=4 cm, rin=2.85 cm, rouf=3.2 cm, lb=3 kA, Wb= 490 кэВ, amplitude of wiggler magnetic induction B0=0.3 T , system length zouf=96 cm, wiggler period is Lw=4 cm.

III. The conclusion

The analysis of numerical results has shown, that to the certain moment determined by arrival of reflected from output of waveguide wave to input of waveguide, modulated ubitron works in an amplification mode. The frequency and wave vector of a resonant wave coincides with the frequency and wave vector received from the linear dispersive equation. The reflected wave provides internal connection and the HF-device operates in a mode of autogeneration. At the chosen parameters of a beam this efficiency of beam losses is 20%, efficiency of stored in resonator energy is 6%, radiation efficiency is 14 %. This radiation efficiency provides radiated power = 200 MW.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии»

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты